专利名称：用于搅拌摩擦焊的方法及其夹具、具有搅拌摩擦焊部分的部件、以及用于搅拌摩擦焊的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于接合堆叠部件的堆叠组件的搅拌摩擦焊方法，一种用于这种搅拌摩擦焊方法的夹具，一种具有由这种搅拌摩擦焊方法产生的搅拌摩擦焊接头的部件，以及一种用于通过搅拌摩擦焊将金属工件的堆叠或邻接组件接合起来的搅拌摩擦焊工具。
背景技术：
通常依靠点焊来接合部件的堆叠组件。近年来，已经提出通过搅拌摩擦焊来接合这样的堆叠组件(例如参见专利文献1至3)。
图28以与专利文献1的图1中所示的装置相同的方式，示出了堆叠组件6和搅拌摩擦焊工具7，堆叠组件6包括堆叠在一起并放在支承夹具3上的第一工件W1和第二工件W2，搅拌摩擦焊工具7具有嵌入堆叠组件6中的探头8。图28中的附图标记A3、M分别表示由探头8搅拌的搅拌区，以及在第一工件W1和第二工件W2之间的边界线。
在对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，即使探头8嵌入并且材料塑性流动，材料也不能从第一工件W1的下端面突出。因此，第二工件W2的材料塑性流向搅拌摩擦焊工具7的转子9的周向侧壁附近的位置，并隆起形成环状毛边BL。因此，需要精加工来切除毛边BL。
如图29所示，因为被嵌入探头8压缩的区域厚度T3和工件W2的位于嵌入探头8附近的下工件W1的隆起部分正上方的区域厚度T4减少，所以堆叠组件6的接合强度不足。
另外，因为在搅拌摩擦焊加工中嵌入探头8以使材料塑性流动之后撤去探头8，所以在撤去探头8的区域中留下一孔，这趋于降低堆叠组件6的接合强度。
为了避免在撤去探头8的区域中留下孔的不利情况，专利文献2公开了一种技术，用于抵靠堆叠组件的相对端面保持夹具，并在相对端面的侧面上设置搅拌摩擦焊夹具。具体地，将在端面一侧上插入夹具中通孔的探头嵌入堆叠组件中以进行搅拌摩擦焊加工。之后，通过设置在端面另一侧上的探头，将在嵌入探头时流入端面另一侧上的夹具中通孔中的材料推回。因此将突出的材料推回直到由撤去的探头产生的孔的底部变平，从而产生平整的表面。
根据专利文献3中公开的技术，将堆叠组件放在夹具的平整表面上，并将额外的料块供应至在嵌入堆叠组件中的转动探头周围的区域。将额外的料块与堆叠组件焊接在一起，从而填充由撤去的探头产生的孔。
专利文献2中公开的技术的缺点在于，因为需要沿相反方向安装两个搅拌摩擦焊工具，所以搅拌摩擦焊装置结构复杂并且设备投资昂贵。
专利文献3中公开的技术由于需要额外的料块而导致材料成本增加并由此导致搅拌摩擦焊成本增加。另外，因为需要用于供应额外料块的机构，所以搅拌摩擦焊装置的结构也很复杂并且设备投资也很昂贵。
如图30所示，可以建议将具有凹口1的载置夹具2插入到支承夹具3中的插入空腔4中，从而提供搅拌摩擦焊夹具5。当将包括第一工件W1和第二工件W2的堆叠组件6放在载置夹具2中的凹口1上，并且将搅拌摩擦焊工具7的探头8嵌入堆叠组件6中时，区域A4的材料软化以塑性流动，并且材料最终流入凹口1中。因为由嵌入探头8移动的材料流入凹口1中，所以防止了产生毛边BL。因为塑性流动的材料从堆叠组件的下端面突出，所以没有减少接合后的堆叠组件6的厚度，并且达到了期望的接合强度。
专利文献1日本特开专利公报No.2002-178168专利文献2日本特开专利公报No.2001-259863专利文献3日本特开专利公报No.2003-62678发明内容本发明将解决的问题
然而，即使使用如图30所示的搅拌摩擦焊夹具5，堆叠组件6的接合强度也可能不足。原因在于，如图31所示，难以将通过限定在载置夹具2中的凹口1的中心的轴线L1与通过搅拌摩擦焊工具7(探头8)的中心的轴线L2保持彼此对准。
如果在轴线L1和轴线L2不能保持彼此对准，即夹具不能彼此同轴的时候继续进行搅拌摩擦焊加工，则会产生区域B1和区域B2，在区域B1中探头8的周侧壁与凹口1的内周壁之间的距离较大，而在区域B2中探头8的周侧壁与凹口1的内周壁之间的距离较小，如图30所示。材料在其中探头8的周侧壁与凹口1的内周壁之间的距离较小的区域B2中搅拌良好。然而，因为被搅拌材料的量在其中所述距离较大的区域B1中减少，所以搅拌摩擦焊的程度不足，导致接合强度的降低。
为了消除以上缺陷，可预先形成所谓的同轴对准，以尽可能地将轴线L1和轴线L2彼此对准。然而，需要精度的同轴对准很复杂。如果在完成同轴对准过程之后由于某些干扰而使得轴线不能彼此对准，那么必须再次进行另一同轴对准过程。因此，搅拌摩擦焊加工的效率降低。
本发明的总体目的在于提供一种搅拌摩擦焊方法，其提高了搅拌摩擦焊加工的效率，并提高了焊接接头的接合强度而不会使搅拌摩擦焊装置变得复杂。
本发明的主要目的在于提供一种用于这种搅拌摩擦焊方法的搅拌摩擦焊夹具。
本发明的另一目的在于提供一种具有由这种搅拌摩擦焊方法产生的搅拌摩擦焊接头的部件。
本发明的又一目的在于提供一种例如适用于这种搅拌摩擦焊方法的搅拌摩擦焊工具。
解决问题的方法根据本发明的第一方面，提供了一种搅拌摩擦焊方法，用于用支承夹具支承由多个部件组成的堆叠组件的一端面，并将搅拌摩擦焊工具的探头嵌入堆叠组件的另一端面中以对堆叠组件进行搅拌摩擦焊，该搅拌摩擦焊方法包括以下步骤
在支承夹具中设置凹口；以及转动探头并将其朝向凹口嵌入堆叠组件的另一端面中，从而将堆叠组件在凹口上方接合并在堆叠组件的端面上提供沿嵌入探头的方向突出的平台。
该凹口设在支承夹具中，并且当对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，堆叠组件的材料流入凹口中。因此堆叠组件被压陷，从而允许其大量材料被搅拌。当上部件由于塑性变形而被压配入下部件的凹陷区域中时，在材料未被搅拌的非搅拌区中形成突起。同时在搅拌区中，所堆叠部件抵靠区域的大量材料塑性流动。在材料冷却并固化时形成的接头由于配合接合和搅拌摩擦焊而具有较好的接合强度。
防止了堆叠组件产生毛边。因为堆叠组件在对其进行搅拌摩擦焊之后不需要精加工，所以缩短了加工时间并因此提高了加工效率。
优选地，该平台具有水平截面大致为圆形的部分，并且该水平截面的直径大于探头的外径。通过该结构，材料能够容易地流入凹口中。结果，在对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，能够搅拌所堆叠部件抵靠区域的大量材料，从而提高接头的接合强度。
根据本发明的第二方面，还提供了一种搅拌摩擦焊支承夹具，用于在对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时支承由多个部件组成的堆叠组件的一端面，其包括用于在其中容纳堆叠组件的材料的凹口，所述材料从堆叠组件的所述端面沿搅拌摩擦焊工具的探头在其转动时嵌入堆叠组件的另一端面中的方向塑性流动。
当使用支承夹具对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，堆叠组件的材料流入凹口中。结果，所堆叠部件的抵靠部分搅拌良好，从而产生接合强度提高的接头。
根据本发明的第三方面，还提供了一种部件，其具有在对由多个部件组成的堆叠组件进行搅拌摩擦焊时产生的搅拌摩擦焊接头，包括平台，其在搅拌摩擦焊工具的探头嵌入堆叠组件的另一端面中时在堆叠组件的一端面上突出。
当塑性流动材料在通过搅拌摩擦焊工具接合堆叠部件时流入支承夹具的凹口中之后冷却并固化的时候形成所述平台。搅拌摩擦焊接头表现出良好的接合强度。
根据本发明的第四方面，还提供了一种搅拌摩擦焊方法，用于用载置夹具支承由多个部件组成的堆叠组件，并将搅拌摩擦焊工具的探头嵌入堆叠组件的上端面中以对堆叠组件进行搅拌摩擦焊，所述载置夹具插入支承夹具的插入凹口中并在其间限定有间隙，而且所述载置夹具具有限定在其上端面中的凹口，该搅拌摩擦焊方法包括以下步骤当探头转动并朝载置夹具的凹口嵌入堆叠组件的上端面中，从而在凹口上方对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，沿着使载置夹具的凹口中心与探头中心对准的方向在插入凹口中移动支承夹具。
根据本发明，当探头嵌入堆叠组件中时，探头的中心和载置夹具的中心彼此对准。即，当探头嵌入堆叠组件中时探头与载置夹具同轴对准。因此，不必预先进行复杂的同轴对准过程，从而提高了搅拌摩擦焊加工的效率。
当如上所述对堆叠组件进行搅拌摩擦焊时，存在于探头周围的堆叠组件的材料被与区域无关地均匀搅拌。因此，因为不存在被搅拌材料的量较小的区域，所以不存在接合强度较小的区域。因此，提供了接合强度大的堆叠组件。
当探头嵌入时，堆叠工件通过突起区域和凹陷区域彼此接合，从而产生紧密配合的状态。这也提高了堆叠组件的接合强度。
因为材料塑性流入载置夹具的凹口中，所以防止了堆叠组件产生毛边。
根据本发明的第五方面，还提供了一种搅拌摩擦焊夹具，用于对由多个部件组成的堆叠组件进行搅拌摩擦焊，其包括载置夹具，具有限定在其上端面中的凹口，用于在其上放置堆叠组件；支承夹具，具有限定在其中的插入凹口，用于将载置夹具插入该插入凹口中；和弹性体，插设在支承夹具和载置夹具的插入到插入凹口的部分之间，在所述载置夹具与插入凹口之间限定一间隙。
通过该结构，当探头嵌入堆叠组件中时，探头的中心与载置夹具的中心彼此同轴对准。因此，提高了搅拌摩擦焊加工的效率，并提高了堆叠组件的接合强度。
插设的弹性体允许载置夹具可在插入凹口中移动。因为载置夹具可在插入凹口中移动，所以搅拌摩擦焊夹具的结构并不复杂。即，搅拌摩擦焊夹具结构简单。
根据本发明的第六方面，还提供了一种搅拌摩擦焊工具，用于对多个金属工件的抵靠部分进行搅拌摩擦焊，其包括用于挤压工件的转子；和同轴布置在转子顶端上的探头，用于插入工件中；该探头包括第一螺纹部分，布置在探头顶端上并具有螺旋形状；和第二螺纹部分，布置在第一螺纹部分后并具有方向与第一螺纹部分相反的螺旋形状。
因为第一和第二螺纹部分具有方向相反的螺纹，所以当探头顶端上的第一螺纹部分沿旋入工件的方向转动时，工件能够以较高的接合强度接合在一起。
如果工件堆叠在一起，并且从第一螺纹部分和第二螺纹部分之间的边界线到转子端面的距离大致等于工件之中表面侧上的一个工件的厚度，那么工件的配合面能够可靠地彼此接合。
如果第一螺纹部分和第二螺纹部分的螺距相等，并且第一螺纹部分和第二螺纹部分的轴向长度相等，那么由第一螺纹部分产生的向下作用力和由第二螺纹部分产生的向上作用力平衡。从而防止工件被提起或降下，并使得第一螺纹部分产生的塑性材料流动和第二螺纹部分产生的塑性材料流动平衡，从而促进了第一螺纹部分和第二螺纹部分之间的边界线附近的塑性材料流动。
如果第一螺纹部分和第二螺纹部分的螺纹彼此相连，那么就进一步加速了边界线附近的塑性材料流动。
图1是用于实现根据本发明第一实施例的搅拌摩擦焊方法的支承夹具、将被搅拌摩擦焊的第一工件和第二工件、以及搅拌摩擦焊工具的局部放大示意立体图；图2是局部垂直剖视放大图，表示将堆叠组件放在图1所示的支承夹具上的方式；图3是局部垂直剖视放大图，表示搅拌摩擦焊工具具有嵌入图2所示的堆叠组件的探头的方式；图4是具有通过根据第一实施例的搅拌摩擦焊方法产生的搅拌摩擦焊接头的部件的局部立体图；图5是表示在具有通过图28所示的搅拌摩擦焊方法产生的搅拌摩擦焊接头的一般部件以及具有根据第一实施例的搅拌摩擦焊接头的部件的搅拌时间和剪切强度之间的关系的图表；图6是局部垂直剖视放大图，表示对其厚度大于探头长度的部件进行搅拌摩擦焊的方式；图7是局部垂直剖视放大图，表示对其厚度小于探头长度的部件进行搅拌摩擦焊的方式；图8是局部垂直剖面图，表示在其开口附近具有锥体的凹口；图9是局部垂直剖面图，表示直径逐渐减小以提供锥形形状的凹口；图10是局部垂直剖面图，表示在其底部中限定有环状槽的凹口；图11是具有呈拉长槽形式的凹口的支承夹具的示意立体图；图12是根据本发明第二实施例的搅拌摩擦焊夹具、将被搅拌摩擦焊的第一工件和第二工件、以及搅拌摩擦焊工具的局部放大示意立体图；图13是局部垂直剖视放大图，表示将堆叠组件放在图12所示的搅拌摩擦焊夹具的载置夹具上的方式；图14是示意横向剖面图，表示其中载置夹具中的凹口的轴线与探头的轴线彼此不对准的方式；
图15是局部垂直剖视放大图，表示其中当载置夹具在插入凹口中移动时，载置夹具中的凹口的轴线与探头的轴线彼此大致对准的方式；图16是示意横向剖面图，表示其中载置夹具中的凹口的轴线与探头的轴线保持彼此大致对准的方式；图17是示意横向剖面图，表示防止载置夹具转动的方式；图18是通过根据第二实施例的搅拌摩擦焊方法焊接的搅拌摩擦焊接头的局部立体图；图19是可用于第一实施例或第二实施例的另一搅拌摩擦焊工具和工件的侧视图；图20是表示搅拌摩擦焊工具的探头侧面的展开图；图21是局部剖面侧视图，表示其中搅拌摩擦焊工具的探头顶端嵌入堆叠组件的方式；图22是局部剖面侧视图，表示其中探头嵌入堆叠组件直到搅拌摩擦焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件的方式；图23是局部剖面侧视图，表示其中探头嵌入堆叠组件直到搅拌摩擦焊工具的中空柱形部分的端面抵靠第二工件，并且材料塑性流动的方式；图24是另一搅拌摩擦焊工具和工件的局部剖面侧视图；图25是表示又一搅拌摩擦焊工具的探头侧面的展开图；图26是表示又一搅拌摩擦焊工具的探头侧面的展开图；图27是立体图，表示其中利用搅拌摩擦焊工具对具有保持彼此抵靠的端面的工件进行搅拌摩擦焊的方式；图28是局部垂直剖视放大图，表示其中通过嵌入放在没有凹口的一般支承夹具上的堆叠组件中的探头进行传统搅拌摩擦焊方法的方式；图29是局部垂直剖视放大图，表示其中通过嵌入放在没有凹口的一般支承夹具上的堆叠组件中的探头进行传统搅拌摩擦焊方法的方式；图30是局部垂直剖视放大图，表示其中利用具有不能移动的载置夹具的搅拌摩擦焊夹具对堆叠组件进行搅拌摩擦焊的方式；以及图31是示意横向剖面图，表示其中图30所示的载置夹具中的凹口的轴线与探头的轴线彼此不对准的方式。
具体实施例方式
下面将关于用于实现搅拌摩擦焊方法的支承夹具和搅拌摩擦焊工具、以及最终产生的具有搅拌摩擦焊接头的部件，参照附图详细描述根据本发明的搅拌摩擦焊方法的优选实施例。
首先，下面将描述第一实施例。
图1是支承夹具10、由根据JIS(日本工业标准)符号5000s的称为5000铝制成的第一工件W1和第二工件W2、以及搅拌摩擦焊工具7的局部放大示意立体图，图2是局部垂直剖视放大图，表示将堆叠组件放在图1所示的支承夹具上的方式。支承夹具10大致呈长方体形状，并具有大致限定在其上端面中央的凹口18。凹口18呈水平截面大致为圆形的大致中空柱形形状。
第一工件W1和第二工件W2一个堆叠在另一个上，从而提供堆叠组件6。在堆叠组件6覆盖凹口18的条件下对其进行搅拌摩擦焊，如下所述。
搅拌摩擦焊工具7具有转子9和探头8，探头8连接在转子9的端部上并具有圆锥形曲线末端。探头8的外径小于限定在支承夹具10中的凹口18的直径。即，凹口18的直径大于探头8的外径。探头8的长度L、第一工件W1的厚度T1(参见图2)、以及第二工件W2的厚度T2分别设定为例如大约2.5mm、大约1.5mm、以及大约1.0mm。
搅拌摩擦焊工具7布置为使其轴线大致与凹口18的轴线对准。探头8位于凹口18上方。
根据第一实施例，如下所述进行搅拌摩擦焊首先，如图2所示，堆叠第一工件W1和第二工件W2以形成放在支承夹具10上的堆叠组件6。这时，堆叠组件6覆盖凹口18。
然后，搅拌摩擦焊工具7下降至与堆叠组件6间隔预定距离的位置。之后，转动转子9，使探头8与堆叠组件6的上端面(第二工件W2的上端面)滑动接触。当探头8保持与堆叠组件6的上端面滑动接触时，产生摩擦热以软化堆叠组件6的由探头8接触的区域和附近区域。结果，如图3所示，探头8嵌入堆叠组件6中，并且堆叠组件6的材料流入凹口18内。因为如上所述凹口18的水平截面直径大于探头8的直径，所以堆叠组件6的材料很容易流入凹口18中。
当探头8转动时，堆叠组件6的搅拌区A1的材料被搅拌。因为堆叠组件6的材料已流入凹口18内，所以接触区的材料被大量搅拌。
当探头8嵌入时，在第二工件W2的面对着第一工件W1的表面上形成突起26，并且在第一工件W1的面对着第二工件W2的表面中形成空腔28。突起26配合在空腔28中。图3中的空腔28的下端为材料未塑性流动的非搅拌区(塑性变形区)。即，图3中的空腔28的下端由于塑性变形而形成为与凹口18互补。
图3和图28的比较清楚地表示出，由根据第一实施例的探头8搅拌的搅拌区A1宽于图28中所示的搅拌区A3。因此，在搅拌区A1(参见图3)中包含有比在搅拌区A3(参见图28)中更多的位于第一工件W1和第二工件W2之间的边界线M。换言之，根据第一实施例的搅拌摩擦焊方法可以比传统的搅拌摩擦焊方法在更长的距离上搅拌第一工件W1和第二工件W2之间的边界线M。
根据不允许堆叠组件6凹陷的传统加工，形成毛边BL(参见图28)。然而，根据图3所示的本实施例，由嵌入探头8从堆叠组件6推动的材料塑性流入凹口18内。因此，堆叠组件6的材料不隆起，从而不产生毛边BL。
利用具有凹口18的支承夹具10，能够在不形成毛边BL的情况下对堆叠组件6进行搅拌摩擦焊。
当在开始搅拌堆叠组件6之后大约2秒松开探头8，从而停止了堆叠组件6的材料的塑性流动时，包括边界线M的堆叠组件6的材料最终冷却并固化。这样，第一工件W1和第二工件W2一体地以固态接合在一起，从而产生具有搅拌摩擦焊接头40的部件42，如图4所示。当流入凹口18的材料冷却并固化时，具有搅拌摩擦焊接头40的部件42具有在其一端面上突出的柱形平台44。因此，平台44的外径大致与凹口18的直径相同。
图5中图解说明了部件42的搅拌摩擦焊接头40的剪切强度和由图28所示的传统搅拌摩擦焊方法产生的搅拌摩擦焊接头的剪切强度。在图5中，水平轴表示搅拌时间。
如图5所示，如果搅拌时间相同，那么搅拌摩擦焊接头40的剪切强度远大于传统搅拌摩擦焊接头的剪切强度，并且与利用6mm直径电极的电阻点焊加工产生的接头的剪切强度大致相等。因此根据本实施例，可以产生具有优异接合强度的搅拌摩擦焊接头的部件42。其原因是堆叠组件6由搅拌摩擦焊牢固地接合，并且第二工件W2的突起26配合在第一工件W1的空腔28中，如图3所示。特别地，空腔138的下端由于塑性变形而形成为与凹口132互补，从而产生紧密配合的状态。因为第一工件W1和第二工件W2牢固地彼此接合，所以接合强度增加。
从图28可以看出，根据传统搅拌摩擦焊方法，探头8的长度L必须大于第二工件W2的厚度T2。如果探头8的长度L小于厚度T2，则由于嵌入探头8的顶端不能到达边界线M，从而不能搅拌第一工件W1的材料，并且不能将第一工件W1和第二工件W2以固态接合在一起。另外，厚度T1与第二工件W2的厚度T2之和必须小于探头8的长度L，从而嵌入探头8不会到达支承夹具。
在根据第一实施例的搅拌摩擦焊方法中，即使探头8的长度L小于厚度T2，当探头8嵌入第二工件W2中时，第二工件W2凹陷，也会将边界线M推入第一工件W1。在边界线M的凹陷区域附近，当探头8转动时，第二工件W2的材料被搅拌，并且第一工件W1的材料也被搅拌。因此，堆叠组件6以固态接合，从而提供搅拌摩擦焊接头40。
即使探头8的长度L大于如图7所示的厚度T1和厚度T2之和，因为凹陷的堆叠组件6的材料仅流入凹口18中，所以探头8的顶端也不会到达支承夹具10。因此，堆叠组件6和支承夹具10不会彼此干涉。
因此，根据本实施例，可以对不同厚度的工件进行搅拌摩擦焊。不必用尺寸与待接合的工件厚度相对应的搅拌摩擦焊工具来代替正在使用的搅拌摩擦焊工具。不必进行复杂的工具替换过程，从而不必准备各种尺寸的搅拌摩擦焊工具。因此，降低了搅拌摩擦焊加工的成本。
然而，所述凹口并不限于柱形凹口18。凹口可以是在其开口附近具有锥体50的凹口52，如图8所示，或者可以是直径逐渐减小以提供锥形形状的凹口54，如图9所示，或者可以具有限定在凹口18底部中的环状槽56，如图10所示。
另外，如图11所示，凹口可以是呈拉长槽形式的凹口58。扫描探头8以形成形状与凹口58互补的拉长平台。
凹口18、52、54、58中的整个空间可以不填充堆叠组件6的材料。
堆叠工件的数量并不限于两个，而是可以将三个或更多的工件堆叠在一起。
下面将描述第二实施例。根据第二实施例，采用在图12中的局部放大示意立体图中示出的搅拌摩擦焊夹具110。搅拌摩擦焊夹具110具有包括图13中所示的插入凹口112的支承夹具114、以及插入到插入凹口112中的载置夹具116。
支承夹具114大致呈长方体形状，并且插入凹口112大致限定在支承夹具114的上端面中央。如图14所示，插入凹口112的水平截面具有两个平行的较长边和垂直于较长边延伸的两个较短边，并且在较长边和较短边之间插设弧形边缘。
如图13所示，载置夹具116具有凸台118、直径大于插入凹口112的凸缘120和载置块122，凸台118的水平截面形状类似于插入凹口112，并且尺寸略小于插入凹口112。凸台118插入到插入凹口112中，并且凸缘120的下端面保持抵靠支承夹具114的上端面，从而将载置夹具116限制在适当的位置。因为凸台118的尺寸略小于插入凹口112，所以在插入凹口112的内周壁与凸台118的侧周壁之间产生间隙124。
插入凹口112的内周壁和凸台118的侧周壁具有限定在其中的相应的环状槽126、128。橡胶O型环130作为弹性体插入相应的环状槽126、128中。换言之，插入凹口112的内周壁和载置夹具116的凸台118的侧周壁彼此略微隔开，并在其间插设有O型环130。
载置块122具有限定在其上端面中的凹口132，凹口132具有水平截面大致为圆形的大致中空柱形形状(参见图12)。
如下所述，载置块122中的凹口132由堆叠组件6覆盖，堆叠组件6由堆叠在一起的第一工件W1和第二工件W2形成。第一工件W1和第二工件W2由布置在搅拌摩擦焊夹具110附近的相应的支承底座(未示出)支承。
与第一实施例相同，搅拌摩擦焊工具7具有转子9和探头8，探头8连接在转子9端部上并具有圆锥形曲线末端。探头8的外径小于限定在载置块122中的凹口132的直径。探头8的长度L、第一工件W1的厚度T1、和第二工件W2的厚度T2分别设定为例如大约2.5mm、大约1.5mm、和大约1.0mm。
根据第二实施例的搅拌摩擦焊夹具110基本如上所述构成。下面将关于根据第二实施例的搅拌摩擦焊方法，描述搅拌摩擦焊夹具110的操作和优点。
如下执行根据第二实施例的搅拌摩擦焊方法。
首先，如图12所示，将第一工件W1和第二工件W2堆叠成放在载置夹具116的载置块122上端面上的堆叠组件6。这时，堆叠组件6覆盖凹口132。
然后，如图14所示，将搅拌摩擦焊工具7(探头8)放置为使其轴线L2尽可能地与凹口132的轴线L1对准。这时，不必使轴线L1和轴线L2保持彼此完全对准。
在探头8下降至与堆叠组件6间隔预定距离的位置之后，探头8与转子9一致地转动。如图13所示，然后使探头8与堆叠组件6的上端面滑动接触。当探头8保持与堆叠组件6的上端面滑动接触时，产生摩擦热以软化堆叠组件6的由探头8接触的区域及其附近区域。结果，如图15所示，探头8嵌入堆叠组件6中，并且堆叠组件6的材料流入凹口132内。因为如上所述凹口132的水平截面直径大于探头8的直径，所以堆叠组件6的材料很容易流入凹口132中。
如果转动的探头8嵌入堆叠组件6中而不与凹口132对准，并且材料流入凹口132中，则在载置夹具116上施加一个垂直于轴线L1或轴线L2的力，即水平方向力。相对于沿着使探头8与凹口132之间的不对准度增大的方向，所述力趋向于更多地沿着使探头8与凹口132之间的不对准度减小的方向作用。因此，在该力作用下，载置夹具116在插入凹口112中水平移动。结果，如图15和图16所示，轴线L1和轴线L2最终保持彼此对准。
当载置夹具116这样移动时，作为弹性体的O型环130变形。因此，O型环130不能阻止载置夹具116移动。
因此，根据本实施例，如果探头8嵌入堆叠组件6中，并且轴线L2保持不与凹口132的轴线L1对准，那么载置夹具116沿着使轴线L1和轴线L2彼此对准的方向移动。因此，当探头8嵌入堆叠组件6中时，不必保持轴线L1和轴线L2彼此精确对准。即，不必在进行搅拌摩擦焊加工之前进行复杂的同轴对准过程，因此提高了搅拌摩擦焊加工的效率。
因为在轴线L1和轴线L2大致彼此对准的同时将探头8逐渐嵌入堆叠组件6中，所以探头8大致插入凹口132的中央，并距凹口132的内周壁留下一定间隙。因此，不会在探头8的侧周壁和凹口132的内周壁之间形成具有小间隙的区域和具有大间隙的区域。探头8周围(搅拌区A2)的材料被均匀搅拌，从而材料中的搅拌摩擦焊程度与区域无关地保持均匀。具体地，因为不存在被搅拌材料的量较小的区域，所以不存在接合强度较小的区域。因此，提高了堆叠组件6的接合强度。
当堆叠组件6的材料流入凹口132时，接触区的材料被大量搅拌。
与第一实施例一样，当探头8嵌入时，在第二工件W2的面对着第一工件W1的表面上形成突起136，并且在第一工件W1的面对着第二工件W2的表面中形成空腔138。突起136配合在空腔138中。空腔138的下端为材料未塑性流动的非搅拌区(塑性变形区)。即，空腔138的下端由于塑性变形而形成为与凹口132互补，从而产生紧密配合的状态。因为第一工件W1和第二工件W2牢固地接合在一起，所以提高了接合强度。
根据第二实施例，由嵌入探头8从堆叠组件6推动的材料塑性流入凹口132内。因此，堆叠组件6的材料不隆起，从而不产生任何毛边。使用具有凹口132的载置夹具116，能够在不形成毛边BL的情况下对堆叠组件6进行搅拌摩擦焊。
当载置夹具116响应于探头8的转动而转动时，凸台118的外壁与插入凹口112的内壁干涉，如图17所示。因此，防止了载置夹具116转动，从而不会妨碍搅拌摩擦焊加工。
当在开始搅拌堆叠组件6之后大约2秒松开探头8，从而停止了堆叠组件6的材料的塑性流动时，堆叠组件6的材料最终冷却并固化。这样，与第一实施例相同(参见图4)，第一工件W1和第二工件W2一体地以固态接合在一起，从而产生具有搅拌摩擦焊接头40的部件140，如图18所示。当流入凹口132的材料冷却并固化时，具有搅拌摩擦焊接头40的部件140具有在第一工件W1上突出的柱形平台44。因此，在这种情况下，生成其外径大致与凹口132的直径相同的平台44。
限定在载置块122中的凹口并不限于柱形凹口132。该凹口可以呈拉长槽的形式。扫描探头8以形成形状与拉长槽互补的拉长平台。
凹口132中的整个空间可以不必填充堆叠组件6的材料。
堆叠工件的数量并不限于两个，而是可以将三个或更多的工件堆叠在一起。
在如上所述的第一实施例和第二实施例中，可采用图19所示的搅拌摩擦焊工具210。相对于第一实施例，搅拌摩擦焊工具210用于通过搅拌摩擦焊接合第一工件W1和第二工件W2的堆叠组件6。搅拌摩擦焊工具210具有用于挤压上面的第二工件W2的转子216、和同轴布置在转子216的顶端上以用于嵌入堆叠组件6中的探头218。与第一实施例相同，堆叠组件6固定地安装在具有凹口18的支承夹具10上。凹口18的内径大于探头218的外径，并且凹口18和探头218彼此同轴地布置。
探头218具有布置在其顶端上的呈右旋螺纹形状的第一螺纹部分220、以及位于第一螺纹部分220后的呈左旋螺纹形状的第二螺纹部分222。如此构成的探头218可例如由高速工具钢制造。
为了进行搅拌摩擦焊加工，在从转子216上方看去时，搅拌摩擦焊工具210顺时针转动。
从第一螺纹部分220与第二螺纹部分222之间的边界线224到转子216的端面216a的距离H等于将表面侧上的第二工件W2的厚度减去宽度H1(稍后描述)得到的值。因为宽度H1的值较小，所以距离H实际上可设定为等于第二工件W2的厚度。
第一螺纹部分220的螺纹220a和第二螺纹部分222的螺纹222a是相连的。具体地，如图20所示，螺纹220a和螺纹222a在边界线224上的点P处彼此连接，其中图20示意性地以展开方式图解说明了探头218的侧面。可在使螺纹220a和螺纹222a基本在点P处彼此接合的范围内，在螺纹220a与螺纹222a之间设置窄槽等。
第一螺纹部分220和第二螺纹部分222均可具有两条螺纹，除了螺纹220a和螺纹222a之外，还分别包括螺纹220b、222b。
从图19和图20可以看出，第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的螺距彼此相等，并且第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的轴向长度H彼此相等。在图20中，螺纹220a和螺纹222a相对于边界线224形状对称。
在图19和图20中，用点划线假定示出边界线224以用于图解说明目的。然而，边界线224实际上是不存在的。
下面将描述利用搅拌摩擦焊工具210对堆叠组件6进行搅拌摩擦焊的过程。
第一工件W1和第二工件W2的堆叠组件6在其覆盖凹口18的情况下放在支承夹具10上，如图19所示。之后，使位于堆叠组件6上方的搅拌摩擦焊工具210转动。在这种情况下，搅拌摩擦焊工具210顺时针转动。
然后，如图21所示，搅拌摩擦焊工具210在转动时下降以挤压探头218并将其嵌入堆叠组件6(上面的第二工件W2)中。这时，因为探头218顶端上的第一螺纹部分220呈右旋螺纹的形式，所以探头218平滑嵌入第二工件W2中，就好像它是一螺栓(或自攻螺钉)一样被插入。
在搅拌摩擦焊加工中，起初需要一定的压力来使搅拌摩擦焊工具210与第二工件W2的表面接触并使搅拌摩擦焊工具210开始嵌入第二工件W2中。当探头218在第一螺纹部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2中时，搅拌摩擦焊工具210所需的压力较小，从而搅拌摩擦焊工具210的使用寿命增加。
如图22所示，搅拌摩擦焊工具210进一步下降直到转子216的端面216a以较小宽度H1咬入第二工件W2的表面中。这时，当搅拌摩擦焊工具210顺时针转动时，因为第二螺纹部分222呈左旋螺纹的形式，所以第二螺纹部分222产生阻止其插入第二工件W2的阻力。该阻力在第二螺纹部分222逐渐嵌入第二工件W2中的时候增加。
因为如上所述第一螺纹部分220呈右旋螺纹的形式，所以当搅拌摩擦焊工具210顺时针转动时，第一螺纹部分220产生使其向下运动的力。由于第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的螺距彼此相等，并且第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的轴向长度H彼此相等，因此使第一螺纹部分220向下运动的力和由第二螺纹部分222产生的阻力最终平衡。
至少直到边界线224到达第二工件W2的表面之前，探头218在第一螺纹部分220的作用下平滑嵌入第二工件W2和第一工件W1中。这是有利的，因为由致动器产生的压力较小。
当使探头218转动并下降时，第一螺纹部分220向第二工件W2和第一工件W1施加向上提升力，并且第二工件W2和第一工件W1也被第二螺纹部分222向下按压。因此，阻止了第二工件W2和第一工件W1被提升。
然后，在搅拌摩擦焊工具210下降直到端面216a以宽度H1咬入第二工件W2中时，搅拌摩擦焊工具210停止下降但仍然转动。这时，使第一螺纹部分220向下运动的力和第二螺纹部分222产生的阻力保持平衡，从而防止探头218不必要地下降。在探头218的第一螺纹部分220和第二螺纹部分222之间的边界线224与第二工件W2和第一工件W1之间的边界线M对准。边界线224和边界线M应彼此大致对准。
在这种情况下，堆叠组件6的塑性流动材料流入支承夹具10的凹口18中，从而在堆叠组件6中产生增强的搅拌区。即，堆叠组件6的材料被大量搅拌、冷却和固化，从而产生具有优异接合强度的搅拌摩擦焊接头的部件42(参见图4)。
如图22中的箭头X1、X2示意性地表示，探头218附近区域中下面的第一工件W1的材料被第一螺纹部分220向上提升。如图22中的箭头Y1、Y2示意性地表示，探头218附近区域中表面侧的第二工件W2的材料被第二螺纹部分222向下推动。
然后，如图23所示，在第二工件W2中沿箭头Y1、Y2所示的方向产生塑性材料流动，并在第一工件W1中沿箭头X1、X2所示的方向产生塑性材料流动。这些塑性材料流动是沿着箭头X1、X2、Y1和Y2所示的方向的均匀塑性材料流动。由图23(和稍后描述的图24)中的交叉影线示出的区域示意性地表示出现塑性材料流动的区域。
由第一螺纹部分220向上提升的材料流动和由第二螺纹部分222向下推动的材料流动在边界线224附近彼此结合，并沿着边界线M被径向向外推动。
因为如上所述，第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的螺距彼此相等，并且第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的轴向长度H彼此相等，所以由第一螺纹部分220产生的塑性材料流动和由第二螺纹部分222产生的塑性材料流动保持平衡，从而促进了边界线224附近的塑性材料流动。
因此第二工件W2和第一工件W1主要在边界线M附近的区域中被搅拌，并且第二工件W2和第一工件W1在较宽的区域上可靠地接合而不变薄。具体地，因为探头218的第一螺纹部分220和第二螺纹部分222的螺纹220a、222a在点P处彼此连接(参见图20)，所以促进了边界线M附近的塑性材料流动从而更加向外推动材料流动。
因为防止了第二工件W2变薄，所以连接部的高度H2大致等于第二工件W2的厚度。因此，负载分布到较宽的区域上以提高接合强度。因为边界线M处的区域在较宽区域上被搅拌并接合，所以增加了抗拉强度和剪切力。
另外，由于上面第二工件W2的靠近探头218的区域塑性流动从而被第二螺纹部分222向下压，所以材料流动不会隆起至第二工件W2的表面上，因此防止第二工件W2形成毛边。
在对堆叠组件6进行搅拌摩擦焊之后，提起搅拌摩擦焊工具210以从堆叠组件6松开探头218。第二工件W2和第一工件W1在嵌入搅拌摩擦焊工具210的区域中被点焊。
在上述说明中，第一螺纹部分220的螺纹220a和第二螺纹部分222的螺纹222a在点P处彼此连接(参见图20)。然而，如果必要，可将螺纹220a的顶端与螺纹222a的顶端彼此周向分开，如图25所示。或者螺纹220a的顶端与螺纹222a的顶端、以及螺纹220b的顶端与螺纹222b的顶端可以略微地彼此轴向分开，如图26所示。
如果搅拌摩擦焊工具210逆时针转动，那么倾向于在边界线M处的较小区域中发生搅拌摩擦焊，并且第二工件W2的表面易于产生毛边。为了消除这些缺陷，如果搅拌摩擦焊工具逆时针转动，优选采用搅拌摩擦焊工具250，其具有方向与上述方向相反的螺纹部分，如图24所示。
具体地，搅拌摩擦焊工具250具有呈左旋螺纹形状、并与搅拌摩擦焊工具210的第一螺纹部分220对应的第一螺纹部分230，以及呈右旋螺纹形状、并与第二螺纹部分222对应的第二螺纹部分232。因为搅拌摩擦焊工具250的螺纹部分的方向与搅拌摩擦焊工具210的螺纹部分的方向相反，所以当搅拌摩擦焊工具250逆时针转动时，搅拌摩擦焊工具250具有与搅拌摩擦焊工具210相同的优点。
由搅拌摩擦焊工具210、250接合的物体并不限于上述堆叠组件6。例如如图27所示，可以对第一工件W1和第二工件W2的抵靠端面进行搅拌摩擦焊。当搅拌摩擦焊工具210、250沿抵靠端面运动时，可对抵靠端面连续进行搅拌摩擦焊。
在上述说明中，为了方便，根据附图指出向上和向下的方向。然而，第一工件W1和第二工件W2可沿任意期望方向定向。搅拌摩擦焊工具7、210、250可相对于堆叠组件6大致成直角地被挤压和嵌入。
本发明并不限于上述实施例，而是可在不脱离本发明范围的情况下以各种方案实施。
权利要求
1.一种搅拌摩擦焊方法，用于用支承夹具(10)支承由多个部件(W1，W2)组成的堆叠组件(6)的一端面，并将搅拌摩擦焊工具(7)的探头(8)嵌入所述堆叠组件(6)的另一端面中以对所述堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊，该搅拌摩擦焊方法包括以下步骤在所述支承夹具(10)中设置凹口(18)；以及转动所述探头(8)并将所述探头(8)朝向所述凹口(18)嵌入所述堆叠组件(6)的所述另一端面中，从而将所述堆叠组件(6)在所述凹口(18)上方接合并在所述堆叠组件(6)的所述端面上提供沿嵌入所述探头(8)的方向突出的平台(44)。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述平台(44)具有水平截面大致为圆形的部分，并且所述水平截面的直径大于所述探头(8)的外径。
3.一种搅拌摩擦焊支承夹具(10)，用于在对堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊时支承由多个部件(W1，W2)组成的所述堆叠组件(6)的一端面，其包括用于在其中容纳所述堆叠组件(6)的材料的凹口(18)，所述材料从所述堆叠组件(6)的所述端面沿搅拌摩擦焊工具(7)的探头(8)在所述探头(8)转动时嵌入所述堆叠组件(6)的另一端面中的方向塑性流动。
4.一种部件(42)，具有在对由多个部件(W1，W2)组成的堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊时产生的搅拌摩擦焊接头，其包括平台(44)，其在搅拌摩擦焊工具(7)的探头(8)嵌入所述堆叠组件(6)的另一端面中时从所述堆叠组件(6)的一端面突出。
5.一种搅拌摩擦焊方法，用于用载置夹具(116)支承由多个部件(W1，W2)组成的堆叠组件(6)，并将搅拌摩擦焊工具(7)的探头(8)嵌入所述堆叠组件(6)的上端面中以对所述堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊，所述载置夹具(116)插入支承夹具(114)的插入凹口(112)中并在其间限定有间隙(124)，而且所述载置夹具(116)具有限定在其上端面中的凹口(132)，该搅拌摩擦焊方法包括以下步骤当所述探头(8)转动并朝所述载置夹具(116)的所述凹口(132)嵌入所述堆叠组件(6)的上端面中，从而在所述凹口(132)上方对所述堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊时，沿着使所述载置夹具(116)的所述凹口(132)的中心与所述探头(8)的中心对准的方向在所述插入凹口(112)中移动所述支承夹具(114)。
6.一种搅拌摩擦焊夹具(110)，用于对由多个部件(W1，W2)组成的堆叠组件(6)进行搅拌摩擦焊，其包括载置夹具(116)，具有限定在其上端面中的凹口(132)，用于在其上放置所述堆叠组件(6)；支承夹具(114)，具有限定在其中的插入凹口(112)，用于将所述载置夹具(116)插入该插入凹口中；和弹性体(130)，插设在所述支承夹具(114)和所述载置夹具(116)的插入所述插入凹口(112)的部分之间，并在所述载置夹具(116)与所述插入凹口(112)之间限定一间隙(124)。
7.一种搅拌摩擦焊工具(210)，用于对多个金属工件(W1，W2)的抵靠部分进行搅拌摩擦焊，其包括用于挤压所述工件(W1，W2)的转子(216)；和同轴布置在所述转子(216)顶端上的探头(218)，用于插入所述工件(W1，W2)中；所述探头(218)包括第一螺纹部分(220)，布置在所述探头(218)顶端上并具有螺旋形状；和第二螺纹部分(222)，布置在所述第一螺纹部分(220)后并具有方向与所述第一螺纹部分(220)相反的螺旋形状。
8.根据权利要求7所述的搅拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所述工件(W1，W2)堆叠在一起；并且从在所述第一螺纹部分(220)和所述第二螺纹部分(222)之间的边界线(224)到所述转子(216)端面的距离(H)大致等于在所述工件(W1，W2)之中表面侧上的一个工件(W2)的厚度。
9.根据权利要求7所述的搅拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所述第一螺纹部分(220)和所述第二螺纹部分(222)的螺距相等；并且所述第一螺纹部分(220)和所述第二螺纹部分(222)的轴向长度(H)相等。
10.根据权利要求7所述的搅拌摩擦焊工具(210)，其特征在于，所述第一螺纹部分(220)和所述第二螺纹部分(222)具有相连的相应螺纹(220a，222a)。
全文摘要
在支承夹具(10)的上端面中设置水平截面大致为圆形的凹部(18)。当用于搅拌摩擦焊的装置(7)的探头(8)埋入多层部分(6)的上端面中时，埋入部分附近的材料塑性流动。这使得塑性流动材料流入凹部(18)中，结果材料在相对较大的区域中被搅拌。当流入凹部(18)中的材料冷却并固化时，得到具有突起部分(44)的包括搅拌摩擦焊部分的部件(42)。
文档编号B23K20/12GK1839011SQ20048002395
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年8月22日
发明者村川敏浩, 脇坂泰成, 大久保聪士 申请人:本田技研工业株式会社