摩擦搅拌焊接装置的制作方法

专利名称：摩擦搅拌焊接装置的制作方法
技术领域：
本发明的一个实施例通常涉及摩擦搅拌焊接和表面处理，尤其涉及用于摩擦搅拌 焊接和表面处理工艺的便携式装置。
背景技术：
目前使用的摩擦搅拌焊接机通常被设计成固定安装在建筑物中，在该建筑物中设 有用于容纳工具的壳体和用于旋转该工具的电机。根据所使用的工具，焊缝的类型形成为 例如对接、搭接等，焊接的数目例如为单一、双重等。

发明内容
这里披露的便携式摩擦搅拌焊接机可以被构造为一种履带牵引装置(crawler)， 该履带牵引装置具有支撑电机例如扭矩电机的顶部件(该电机具有使摩擦搅拌焊接工具 旋转的旋转轴)，以及用于沿着工件的预定焊接路径拉动该履带牵引装置的驱动机构。所述 的履带牵引装置可以包括至少两个物理相隔的部件，其中一个部件适于设置在工件上方， 另一部件适于设置在工件下方。影响焊接的摩擦搅拌焊接工具可旋转地连接到履带牵引装 置的每个部件上并有效地限制例如两个物理相隔的部件相对于彼此的轴向位移。因此，摩 擦搅拌焊接工具可旋转地连接到履带牵引装置的所述两个部件的每个上并防止所述至少 两个部件相对于彼此轴向位移。 通过在工件中的一个或两个上设置轨道或导向装置，可以防止所述至少两个部件 相对于彼此和/或相对于工件旋转位移。根据用来防止履带牵引装置相对于工件旋转位移 的方法，所使用的旋转工具的类型，以及焊接是否在工件的边缘或者从工件的边缘开始和 结束，当进行焊接时需要一个或多个以下的功能履带牵引装置沿着工件前进的速度，工具 的旋转速度，操纵该履带牵弓I装置，等等。 本发明的一个实施例是一种构造，其易于运输并可以移动至工作场地而不是将工 件移动至设有固定摩擦搅拌焊接机的建筑物。 上文已经相当宽泛地概述了本发明的实施例，因此本领域的技术人员可以较好地 理解以下对本发明的详细描述。下文将描述构成本发明的权利要求主题的本发明的其他特 征。本领域技术人员应理解，他们可以容易地使用所披露的构思和特定实施例作为基础来 设计或修改用于实现本发明相同目的的其他构造，且所述的其他构造不偏离本发明最宽形 式的宗旨和范围。


根据以下的详细说明、附随的权利要求、以及附图，本发明的其他方面、特征、和优点将会更显然，其中，在附图中相同的参考标号标示相同的部件 图1为本发明的摩擦搅拌焊接装配件的一个实施例的透视图，该装配件具有带三
个独立部件的壳体，每个部件具有与共用工具相连的两个部分； 图1A为图1所示的两个被焊接工件的实施例的前截面图； 图IB为履带牵引装置的部件中的一个中的夹紧预加载部件的侧截面图； 图2为本发明的摩擦搅拌焊接装配件的另一个实施例的侧截面图，该装配件具有
带两个独立部件的壳体，每个部件具有与共用工具相连的两个部分； 图3为图2的实施例的前截面图； 图4为本发明的摩擦搅拌焊接装配件的又一个实施例的侧截面图，该装配件具有 带一个部件的壳体，该部件具有与工具相连的两个部分； 图5为与工件上的导向装置相连以防止所述壳体旋转的摩擦搅拌焊接工具的透 视图； 图6-8显示了可以用来进行焊接的各个搅拌焊接工具； 图9-20显示了各种工件构造以及可以用这里所公开的装置形成的焊接类型。
具体实施例方式
摩擦搅拌焊接(FSW)是可以用于将各种材料及它们的合金例如铝、铜、铁、钢、不 锈钢等焊接在一起的工艺。这种焊接通过将旋转的非可以消耗的销型工具插入到要利用对 接焊接或搭焊而焊接在一起的工件内而形成。在焊接处理过程中，当销型工具起初在焊接 线上插入到工件内时，所述材料在低于熔融温度的温度下且一般在材料的锻造温度范围内 被摩擦加热并塑化。当所述金属足够软且塑性时，且所述工具到达适当的穿透深度时，所述 工具沿着焊接线前进。当工具沿着所述工件移动时，金属流动至销型工具的后面，在该工具 的后面被混合，并在其冷却时凝固以形成坚固的冶金结合。摩擦搅拌焊接除了用于将相同 的金属结合在一起，还可以用于将不同的金属或塑料或在摩擦加热条件下会软化和凝固的 其他材料结合以形成整体地结合。摩擦搅拌焊接可以用来进行对接、角连接、搭接、以及其 他类型的连接，还可以用来修补给定材料中的缺陷以及用于形成中空部例如圆形的、方形 的、或矩形的管。 摩擦搅拌焊接工艺采用FSW销型工具来实现，该FSW销型工具可以具有单一销和
与被结合材料的顶表面接触的肩部。砧可以用来防止被塑化的材料在焊接工艺过程中从焊 缝底部流出，从而提供平滑的焊接面，所述砧接触与FSW销型工具相对的工件的底表面。在 一些应用中，所述的销型工具可以不包括砧。 参照图l，其示出了本发明的一个实施例的透视图，其具有带三个独立部件的壳 体，每个部件包括两个与摩擦搅拌焊接工具相连以进行摩擦搅拌类型焊接的半部分。尽管 图1-5和实施例的公开内容详细描述了三个独立部件，但是在本发明的范围和意图内，部 件的数目以及相关的协同特征可以根据需要或多或少地将两个或多个工件按照设计或用 户需求焊接在一起。所以，这里所披露的都不是想限定所要求保护的发明。
在本发明中，当进行焊接时，壳体(以下指的是履带牵引装置200)接合位于工件 的边缘上或附近的轨道件(下文将详细讨论)。该轨道件可以是凸起件或槽道，该凸起件或 槽道滑动接合履带牵引装置中的接收件例如狭槽或侧壁，以在焊接处理过程中为该履带牵
6引装置提供导向和扭矩补偿。该履带牵引装置可以包括例如上部部件201、中间部件202、 以及下部部件203。这些部件可以由可以半屈服的材料例如塑料、或刚性材料例如铸铁、或 其他等效材料构成，其中，所述三个部件中的每个被分离以提供前部分和后部分。履带牵弓I 装置的上部部件201由两个基本相同的部分，即前部分201A和后部分201B构成。后部分 201B可以具有例如四个用于容纳螺纹紧固件(未示出)的间隙开口 204，该紧固件穿过间 隙开口 204并拧入前部分201A中的螺纹口 205内，以将该两部分201A， 201B锁定或紧固在 一起以构成部件201。螺纹紧固件的长度决定了两部分201A，201B之间的空间。每个部分 具有半圆形切口 206，用于接收剖分套筒轴承207或者滚道和滚珠轴承。每个部件还包括 具有用于容纳凸起轨道或槽道(图9-20)的侧壁501的切口部500，所述的凸起轨道或槽 道可以通过在工件(例如铝板工件)上进行挤压形成，其中，该轨道适于滑动地接合所述部 件以在焊接形成过程中为所述部件提供导向、对齐和扭矩补偿。在这些情况下，即工件中的 轨道701 (见图9)是槽道712 (见图15)的情况下，那么履带牵引装置可以具有装配在槽道 712内的轮(未示出)或刚性凸部(未示出)，以便在进行焊接时为该履带牵引装置提供导 向和扭矩补偿。通过轨道或槽道可以使履带牵引装置夹紧到所述工件上，其中，该轨道或槽 道的尺寸形成为紧密配合所述部件中的接合件或紧密配合位于履带牵引装置中的、且在被 结合工件的上方和下方的弹簧件。 参照图1B，设置在切口部500中的部件530被定位成接合工件上的轨道701并由 弹簧532推动以使工件向右移动从而碰撞待结合的工件。而且，第二弹簧534被连接成推 动所述部件530向下移动从而接触该工件。所述部件530可以设置为仅接触每个工件的顶 表面，或者部件530可以设置为接触每个工件的顶表面和底表面以将工件朝向彼此推动从 而对工件预加载并将履带牵引装置夹紧于工件上。在另一个实施例中，弹簧被去除并且所 述部件的尺寸定为或调整为使得履带牵引装置与工件紧密配合，这样履带牵引装置以足够 的力将工件紧固地接近彼此，以防止在焊接处理过程中所述工具推动工件离开并防止反抗 转矩使得该履带牵引装置旋转。注意，所披露的将工件推动在一起并将履带牵引装置夹紧 至工件上的构造可以补偿具有不平边缘和/或变化厚度的工件。 因此，通过部件530的作用，通过在工件的上方和下方，履带牵引装置200在形成 焊接接缝时将其本身夹紧到工件上。图9-20示出了焊接前和焊接后的工件，其可以由需要 的材料(例如铝)构成，并且其在边缘上或边缘附近具有轨道或槽道以便为履带牵引装置 提供导向和扭矩补偿。 这里描述了如图1所示的实施例，应理解的是，对于以下描述的每个实施例，履带 牵引装置200的相邻的上部部件201与中间部件202，以及中间部件202与下部部件203之 间的间距可以被改变，以容纳具有不同厚度的工件。此外，履带牵引装置200的部件201， 202,203具有狭槽500或刚性凸部，其被定位为在焊接处理过程中可以滑动地接合工件上 的轨道或槽道，以便除了通过将工件的边缘推向彼此从而将工件定位和/或预加载外，还 为履带牵引装置提供导向、对齐、固定、和扭矩补偿。而且，通过紧密配合或设置在履带牵引 装置200内的弹簧加载件，可以将履带牵引装置200夹紧至工件上，该履带牵引装置在焊接 处理过程中滑动接合和挤压工件的表面。另外，对于这里所披露的每个实施例，在每个工件 上的导轨可以是凸起件或其可以是槽道，该轨道可以循着直的、弯的、或二者结合的路径。 在焊接处理工程中，履带牵引装置200与工件上的轨道接合以推动所述工件彼此碰撞，从
7而在焊接处理期间和之后给工件提供理想的预载力。 此外，工件可以由铝制成，轨道件可以通过挤压或其他类型的金属加工工艺形成。 这里要注意，为了避免说明书中出现重复和反复性段落，本段对于以下所披露的每个实施 例不再重复，并且应理解本发明的该段是每个实施例的一部分描述，如果它实际包含在每 个实施例的描述中，该部分与其实际的相同。 上部部件201的前部分201A和后部分201B的顶表面201T具有四个用于接收四 个螺纹紧固件315的螺纹口 300，以便当前部分201A和后部分201B与螺纹紧固件315如 上所述地紧固在一起时，将带有电机例如扭矩电机308(伺服、液压、气压或电力的)的壳体 318紧固至上部部件201。每个部件的前表面和后表面是相似的。所以，图l没有示出部件 201,202,203的前表面的示图。上部部件201的前部分201A的前表面(见图2的前表面 201F)和后部分201B的后表面201R可以具有四个用于容纳四个螺纹紧固件(未示出)的 螺纹口 204，以便将拉动部件210紧固至上部部件201的前部分201A和后部分201B上。拉 动部件210设置用于容纳拉动缆线(显示为与前部分202A相连)，从而沿着被焊接的工件 以预定的速度拉动履带牵引装置200。 中间部件202由两个基本相同的部分，即前部分202A和后部分202B构成。后部 分202B具有用于容纳螺纹紧固件315的四个间隙开口 208，该紧固件穿过间隙开口 208并 拧入前部分202A中的螺纹口 209内以便将两个部分202A， 202B锁定或紧固一起，从而形成 部件202。螺纹紧固件的长度决定了两部分202A，202B之间的空间。每个部分202A，202B 具有半圆形切口 206，用于容纳剖分套筒轴承207或滚道和滚珠轴承。每个部件还具有适于 接合轨道或凸起件(未示出)从而接合工件上的槽道的切口 500。中间部件202的前表面 和后表面具有用于容纳螺纹紧固件(未示出)的四个螺纹口 208，209，用于将拉动部件210 紧固至该中间部件202上。拉动部件210设置用于容纳拉动缆线202P，该拉动缆线用于沿 着被焊接工件以预定速度拉动履带牵引装置200。 下部部件203由两个基本相同的部分，即前部分203A和后部分203B构成。后部 分203B具有用于容纳螺纹紧固件315的四个间隙开口 211，该紧固件穿过间隙开口 211并 拧入前部分203A中的螺纹口 212内以便将两个部分203A，203B锁定或紧固一起，从而形成 部件203。螺纹紧固件的长度决定了两部分203A，203B之间的空间。每个部分具有半圆形 切口 206，用于容纳剖分套筒轴承207或者滚道和滚珠轴承或滚柱轴承，以及具有适于接合 工件上的轨道或槽道的切口 500或凸出部(未示出)。下部部件203的前表面(未示出) 和后表面具有四个用于容纳螺纹紧固件(未示出)的螺纹口 211，212，用于将拉动部件210 紧固至该下部部件上。拉动部件210设置用于容纳类似于拉动缆线201P的拉动缆线，以沿 着被焊接工件以预定速度拉动履带牵引装置200。 螺纹紧固件的变化长度提供了本发明的变量函数，其允许不同尺寸的摩擦搅拌 焊接工具与相同系列的部件201,202,203等一起使用。成对的部件的部分201A/201B， 202A/202B，203A/203B之间的空间可以根据焊接用途被变宽或变窄以容纳尺寸变化的工 件。 可以选择地，部件201A，201B的顶表面孔300也可以与壳体318的孔318H协作以
在成对的部件的部分201A/201B， 202A/202B， 203A/203B之间形成间距。 继续参照图l，在将上部部件201、中间部件202和下部部件203的前部分201A，202A， 203A和后部分201B， 202B， 203B连接之前，以及在将剖分套筒轴承207插入到上部部 件201、中间部件202、下部部件203中的各自的切口 206中之后，带有销215的可以更换摩 擦搅拌焊接(FSW)工具213被装配至所述的三个部件中的适当位置。如下文将详细描述 的，这里披露的FSW工具213可以被构造成进行单一焊接或同时进行双重焊接。但是，具有 两个以上部件的实施例被构思为落在这里所述的本发明的范围内。工具213可以是单一部 件(未示出)而没有任何可以去除部分，或者它可以由两个或多个可以用例如螺纹销连接 在一起的独立部分(未示出)构成，该螺纹销接合螺纹口以形成连续的工具。当所述工具 由两个或多个部分构成时，一个部分的螺纹销上的螺纹被设计为随着该工具的旋转被拧入 另一部分中的螺纹口内。 本发明所示的一个实施例与FSW工具一起使用，该FSW工具具有三个支承面，它们 适于旋转接合所述三个部件201,202,203的前部分和后部分中的三个剖分套筒轴承207。 当FSW工具213位于上部部件201、中间部件202和下部部件203中时，上部FSW线轴216 和上部部件201与中间部件202之间的空间201X对准；下部FSW线轴217和中间部件202 与下部部件203之间的空间201Y对准。下文将解释的空间201X，201Y根据各种尺寸(例 如FSW工具上的轴承之间的间距，所述部件201 、202、203中的半圆形切口 206之间的间距， 每个部件中的半圆形切口 206与每个部件在所述空间处的物理端之间的间距)彼此之间的 关系确定。但实际上，在履带牵引装置的部件可以供使用的情况下，该工具确定了所述部件 之间的间距。因此，不同的工具可以用来为履带牵引装置的部件之间提供适当间距，从而允 许该履带牵引装置与不同厚度的工具一起使用。 在三个部件201，202，203的前部分和后部分围绕可以更换的FSW工具结合在一起 以将该FSW工具213俘获或封装到履带牵引装置200内之后，扭矩电机308被设置在上部 部件201的顶表面201T上以接合位于该FSW工具213的端部的花键接合销214，该花键接 合销在上部部件201的顶表面201T上方凸出。扭矩电机308然后借助于螺纹紧固件(未 示出)被连接到上部部件201中的螺纹口 300上。此时，摩擦搅拌焊接工具预备将至少两 个工件结合一起。 在操作中，两种焊接同时进行，见图1A，即将结合在一起的第一对工件400分别边 对边地定位在下部部件203的前部分和中间部件202的前部分之间的空间201Y中。即将 结合在一起的第二对工件402分别边对边地定位在中间部件202的前部分和上部部件201 的前部分之间的空间201X中。在开始焊接工艺之前，可以更换的FSW工具213插入到位于 前部分201A， 202A， 203A中的剖分套筒轴承207内，并且所述三个部件201， 202， 203的后部 分201B， 202B， 203B与前部分201A， 202A， 203A相连。在紧接进行焊接之前，FSW工具213 的下线轴404设置在第一对工件400的焊缝处(由两个工件的界面/接触面限定)，FSW工 具213的上线轴406设置在第二对工件402的焊缝处并基本沿着中心线(CL)。拉动缆线 201P(见图2)被连接到例如中间部件202上的拉动部件210(见图2)上，并且用于当FSW 工具旋转并沿着焊缝横向移动时在切口 500(见图1)内沿着工件400，402上的轨道425拉 动该履带牵引装置200，该切口 500具有滑动地结合轨道425的侧壁501 (见图1)。
未示出的可以选实施例包括工件，该工具具有槽道(见图15)和形成于切口 500 内或代替该切口的滑动接合凸部。这里要注意，工件上的轨道为履带牵引装置200提供导 向、对齐和扭矩补偿。在未示出的另一实施例中，拉动缆线可以被连接到所述三个部件201，202,203中的每个上以使得该履带牵引装置沿着工件前进。 现在参照图2，其为本发明另一实施例的侧剖视图，该实施例具有带两个独立部件 201， 203的履带牵引装置200A，所述部件201， 203与FSW工具213A相连。除了图2的实施 例不包括图1所示的中间部件202之外，图2所示的实施例与图1所示的实施例相同。图2 中与图l相同的部件采用相同的参考标号，图1中一些部件没有在图2中示出。上部部件 201和下部部件203可以由半柔性材料(例如可以屈服塑料)或刚性材料(例如铸铁)或 其它类似材料构成，每个部件由两个基本相同的半部分构成以提供前部分201A，203A和后 部分201B，203B。如上文对图1的实施例所描述，后部分201B具有四个用于容纳螺纹紧固 件的间隙开口 (未示出)，所述螺纹紧固件穿过该间隙开口并拧入前部分201A中的螺纹口 内以便将所述的两个部分结合在一起。每个部分具有半圆形切口 206，用于容纳剖分套筒轴 承207或滚道和滚珠轴承，以及具有与工件上的轨道接合的切口 (类似于图l所示的切口 500)。上部部件201的前部分和后部分的顶表面201T具有四个用于容纳螺纹紧固件(未 示出)的螺纹口 (未示出)，用于当所述前部分和后部分被紧固在一起时将电机例如扭矩电 机308固定至上部部件201上。上部部件201的前表面201F和后表面201R可以具有四个 用于容纳螺纹紧固件(未示出)的螺纹口 (未示出)，该螺纹紧固件将拉动部件210固定至 上部部件201上。拉动部件210设置用于接收拉动缆线201P以沿着被焊接的工件402以 预定速度拉动履带牵引装置200。 下部部件203由两个基本相同的部分，即前部分203A和后部分203B构成。后部 分203B具有四个用于容纳螺纹紧固件(未示出)的间隙开口 (未示出)，该螺纹紧固件穿 过该间隙开口并拧入前部分203A中的螺纹口 (未示出)内以将该两部分结合一起。每个 部分具有半圆形切口 206，用于容纳剖分套筒轴承207或滚道和滚珠轴承，以及具有用于与 工件(类似图15的工件700)上的轨道(类似图9的轨道703)或槽道(类似图15的槽道 712)接合的切口 (类似图1所示的切口 500)。下部部件的前部分203F和后部分203R具 有四个用于容纳螺纹紧固件(未示出)的螺纹口 (未示出)，以用于紧固拉动部件210。拉 动部件设置用于接收拉动缆线201P，该拉动缆线用于沿着被焊接工件以预定速度拉动履带 牵引装置。 在将上部部件201和下部部件203的前部分和后部分结合在一起之前，以及在将 剖分套筒轴承207插入到上部部件201和下部部件203的各自切口 206内之后，摩擦搅拌焊 接(FSW)工具213A首先被装配到所述前部分或后部分中的适当位置。所述两个部件201， 203的前部分和后部分然后被紧固一起以包封或俘获该FSW工具213A。此时，在部件201， 203之间形成间隙201X，该间隙略大于工件402的厚度。因此，当履带牵引装置200A的尺 寸被固定为容纳各种工具并与其一起操作时，部件201， 203之间的间距20IX根据工具例如 摩擦搅拌焊接工具213A上的轴承206之间的间距来确定。 在该实施例中的FSW工具213A被构造为进行一种焊接。工具213A可以是单一部 件而没有任何可以拆卸部分，或其可以由两个或多个可以与至少一个螺纹销连接在一起的 独立部分构成，所述螺纹销与另一部分中的螺纹口接合以形成连续的工具。当所述工具由 两个或多个部分构成时，一个部分的螺纹销上的螺纹被设计为随着所述工具的旋转被拧入 到另一部分中的螺纹口内。 图2的实施例所示的FSW工具213A具有两个独立的支承面206A，所述支承面206A适于旋转地接合所述两个部件201， 203的前部分201A， 203A和后部分201B， 203B中的剖分套筒轴承207或滚道和滚珠轴承或滚柱轴承。当FSW工具213A位于所述的上部部件和下部部件中时，单一的FSW线轴218与上部部件201和下部部件203之间的空间201X对准，如上所述。 现在转向图9，在操作中，当进行焊接时，可以具有轨道701的待结合的一对工件700被边对边地定位在上部部件201和下部部件203的前部分之间。此时，所述工具213A的FSW线轴218 (如图2所示)位于工件700的焊缝的起始处，拉动缆线201P连接到上部部件上(如图2所示)，并用于随着FSW工具213A旋转而沿着工件700上的轨道701拉动履带牵引装置200A。在另一实施例中，拉动缆线202P可以连接到两个部件201,203中的每个上，而不是连接到仅一个部件上，以便使该履带牵引装置200沿着工件例如工件700前进。在另一个实施例中，与履带牵引装置相连的螺纹轴(未示出)可以用于在进行焊接时使该履带牵引装置沿着工件前进。在每个实施例中，可以设置传感器(未示出)来控制履带牵引装置200A的前进速度以及进行焊接时可以能所需的其它参数。
图3为图2的实施例的局部前剖视图。如上所述，在不同的实施例中，如果履带牵引装置200A以被标准化的尺寸制造，位于相邻的部件201， 203之间的用于工件402的空间210X根据工具213A的设计来确定。 图4为具有与摩擦搅拌焊接工具213B相连的一个部件201的摩擦搅拌焊接履带牵引装置200B的局部侧剖视图。图4的各种特征的详细说明参见上文对图1的描述，其与图1的描述共用。部件201可以由半柔性材料例(如塑料)或刚性材料(例如铸铁)或其它等同材料构成，且被分离以提供两个基本相同的部分，即前部分201A和后部分201B。后部分201B具有四个用于容纳螺纹紧固件(见图1中的螺纹紧固件315)的间隙开口 (见图1中的间隙开口 204)，该螺纹紧固件穿过该间隙开口并拧入前部分201A中的螺纹口 (见图l中的间隙开口 205)内以将所述两个部分接合在一起。螺纹紧固件的长度决定了前部分201A和后部分202B之间的空间，从而适应具有用于焊接不同尺寸工件的尺寸的摩擦搅拌焊接工具。较短的螺纹紧固件可以在前部分201A和后部分202B之间形成小的间隙或空间。而较长的螺纹紧固件可以在前部分201A和后部分202B之间形成的较长的间隙或空间。
所述部件201的前部分201A和后部分201B的顶表面201T具有四个用于容纳螺纹紧固件(未示出)的螺纹口 201H，以用于固定壳体318，该壳体318可以起作用以在前部分201A和后部分201B被接合在一起之前或之后连接该前部分201A和后部分201B。所述壳体318可以包括驱动机构308，例如像扭矩电机这样的电机。 便携式摩擦搅拌焊接装置能够改变尺寸以适配不同尺寸的摩擦搅拌焊接工具，从而焊接至少一对工件。图4示出了所述装置的一个实施例。然而，这种图解无意于限制本发明。例如，所述装置可以包括一对部件，其中每个部件201A， 201B包括外表面201F， 201R、内表面219A，219B、与该外表面201F，201R和内表面219A，219B相邻的顶表面201T、与所述内表面219A，219B上的参考点(例如剖分套筒轴承207)相隔预定距离的顶表面中的孔201H。所述壳体318用作部件连接器，并具有中心线和与该中心线相隔预定距离的孔318H，其中当所述壳体318与部件201A，201B的顶表面201T相邻设置时，所述孔318H与所述部件201A，201B的孔201H对准。部件201A，201B之间的可以变化的空间V由从壳体318的中心线至孔201H的预定距离X2a， X2b与从内表面219A，219B上的参考点R至部件201A，
11201B的顶表面201T上的孔201H或至任何可以接受的参考点的预定距离之间的差形成。所 述空间随着上述预定距离增加或减少而变化。该可变空间与预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具 相关联。布置在壳体318中的驱动机构308被构造成可以操作地连接到预定尺寸的摩擦搅 拌焊接工具，例如外花键和内花键上。 图2示出了本发明的另一个实施例，其中第二对部件203A， 203B与部件201A， 201B 并置，在它们之间形成空间201X，该空间取决于摩擦搅拌焊接工具213的销部分213C的高 度尺寸213B。该高度尺寸213B越大，空间201X越大，从而该空间可以容纳较大宽度的工 件。部件201,203的相对面431之间紧密配合，但空间201X稍大于工件的宽度W。摩擦搅 拌焊接工具213A可以基于工件402的宽度W来选择或预定。 图1A所示的本发明的又一个实施例，其中第三对部件202A，202B(集合体202)设 置在部件201，203之间。本发明的可以选实施例将该第三对部件与图2所示的部件203的 底表面203C并置。在任意实施例中，根据第二销的高度尺寸在它们之间形成一空间。
每个部分具有半圆形切口 206，用于容纳滚道和滚珠轴承或剖分套筒轴承207，并 具有用于接合轨道或凸部(未示出)的切口 (与图1的切口 500类似)，以用于与要通过焊 接连接的工件(类似图15的工件700)上的槽道(类似图15的槽道710)接合。
部件201的前表面201F和后表面201R可以具有四个用于容纳螺纹紧固件的螺纹 口 ，以用于将拉动部件210固定至履带牵引装置200B上。拉动部件210设置用于容纳拉动 缆线201P，该拉动缆线201P用于在焊接处理过程中以预定速度沿着工件上的轨道(例如 图9所示的工件700的轨道701)或槽道(如图15所示的工件710的槽道712)拉动该履 带牵引装置200B。 在将部件201的前部分201A和后部分201B连接在一起之前，以及在将剖分套筒 轴承207插入到所述部件中的相应的切口 206内之后，摩擦搅拌焊接(FSW)工具213B被 装配到前部分201A或后部分201B中的剖分套筒轴承207内的适当位置，然后该两个部分 201A，201B被结合一起，从而形成履带牵引装置200B。 FSW工具213B被构造成进行一种焊 接。工具213B可以是单一部件而没有任何可以拆卸部分。 继续参照图4， FSW工具213B具有单一支承面206A，其适于旋转地接合部件201 的前部分201A和后部分201B中的剖分套筒轴承207或带滚道和滚珠轴承(未示出)。在 履带牵引装置200A的前部分201A和后部分201B接合在一起并封装可以更换的FSW工具 213B之后，扭矩电机308被设置在部件201的顶表面201T上以接合位于FSW工具213B的 端部的花键接合销214，该花键接合销凸出在部件201的顶表面201T上方。扭矩电机308 然后通过螺纹紧固件(未示出)如上所述地连接到部件201上。 在操作中，当进行焊接时，工具213B的线轴218位于两个工件402的边缘并与待 焊接的焊缝成一直线。拉动缆线201P或其它驱动结构(例如螺旋驱动装置(未示出))被 连接到部件201上，并用于当FSW工具213B旋转和沿着焊缝沿着横向移动时使该履带牵引 装置200B沿着工件402上的轨道或槽道(图9和15所示)前进。 图5为与工件上的轨道相连的摩擦搅拌焊接装置的透视图，其中，位于履带牵引 装置200中的部件(如上所述)与轨道600R结合地将工件600A，600B和601A，601B(如上 所述)的边缘向彼此推动以给工件对600,601提供预加载并且为履带牵引装置200提供导 向、对齐、和扭矩补偿。更具体地说，在一个实施例中，工件600，601可以由铝制成，其扩大边缘602， 603通过由上述履带牵引装置200施加的预定力被对接在一起。当从动巻取轴 610或任何其它驱动结构(例如螺旋驱动装置(未示出))驱动履带牵引装置200沿着方 向A前进时，履带牵引装置200中的旋转FSW工具(例如FSW工具218)形成焊缝604。要 注意，如上文所述，履带牵引装置200的部件201， 202， 203被定位在工件600， 601的上方和 下方，并且如前所注意到的，履带牵引装置200被滑动地夹紧至工件600A，600B，601A，601B 上。此外，通过将工件600A， 600B和601A， 601B朝向彼此推动，履带牵引装置200对工件预 加载。工件600,601上的轨道600R用作履带牵引装置200的导向装置并且为该履带牵引 装置200提供导向、对齐和扭矩补偿。 在不可以能将备用砧设置在被焊接工件的背面的那些情况下，可以使用线轴型工 具。这种工具包括两个肩部和位于所述肩部之间的销。图6所示的线轴型FSW工具20包 括销21以形成位于一对肩部22之间的整体工具，所述肩部包括工件接合面23。肩部22可 以具有锥角24并可以与销21形成一体。为确保所述工具接触并摩擦接合其厚度可以稍微 变化的工件lll，所述工具的工件接合面23以图6所示的角度24成锥形。
锥角24能够使得具有轻微差别和/或稍微可以变厚度的工件焊接在一起，并且还 确保了FSW工具以对焊接区域中的塑化材料进行既塑化又限制而所需的力压靠在该工件 上，以在焊接的上、下表面上产生平滑面。 图7示出了线轴型工具30，其可以与这里所披露的履带牵引装置一起使用以焊接 一对接头113和114中的一个接头，以产生由一对细长件构成的管。图7所示的管具有基 本方形的截面，应理解，所述管可以具有矩形、圆形、卵形等的截面。在图7中，每个细长件 112具有方形截面C的形状，每个细长件对应于矩形管的截面的一半。这里要注意，所述工 具30能够每次仅焊接一个接头。 图8示出了具有一体的柄形销的销型工具50的剖视图，其具有肩部54，该肩部54 被拧到所述柄形销上以给销型工具的销提供压縮负载。所述工具50在销52的底部附近具 有位于柄部53与肩部54的内表面58之间的紧密配合57，以及具有位于肩部54内部和柄 部53之间的限位挡块59。这种工具被构思为可以与这里所述的履带牵引装置一起使用，该 履带牵引装置仅具有一个位于两个工件顶的表面上的部件例如201，并且当所述工具旋转 时该部件被沿着焊缝拉动。 上文所指的工具可以与这里所披露的履带牵引装置一起使用以在多个不同类型 的结构上进行焊接，其中一种这样的结构是用于汽车的部件。 图9-20示出了可以用这里所披露的FSW履带牵引装置200形成的各种工件的构 造和各种焊接类型。 参照图9，其示出了工件700，在被焊接之前，工件700被挤压以在它们的边缘处形 成轨道701。轨道701基本为矩形形状并且在焊接处理过程中被局部消耗。注意轨道701 的外边缘703在焊接完成之后是完好的。图10示出了板在被与轨道701的外边缘703焊 接在一起之后仍然是完好的。图12示出了可以由图11的工件构成的另一类型的焊接，该 工件具有长度较短的挤压轨道705。在图11的实施例中，长度短于轨道701的工件的矩形 轨道705在焊接处理过程中几乎完全被消耗。在图12中，可以看出在焊接处理过程中仅轨 道的外端706没被消耗。图14示出了可以由图13的工件构成的又一种类型的焊接，该工 件具有挤出端部。除了轨道的外端709被底切之外，图13的轨道708类似于图11的轨道。
图16示出了可以由图15的工件710构成的另一类型的焊接，该工件具有位于它 们的端部附近的槽道712。注意在图16中，槽道在焊接处理过程中被完全消耗。图18示出 了可以由图17的具有端部715的工件713构成的一种类型的焊接，所述端部715夹持有搭 扣轨道716，该搭扣轨道适于用作由履带牵引装置200接合的轨道。搭扣轨道716和端部 715在焊接处理过程都被消耗以形成整体接头。图20示出了可以由图19的工件718形成 的另外一种类型的焊接，该工件具有位于它们的端部720内侧的槽道719。采用这种实施 例，槽道719在焊接处理之后仍然完好。 虽然这里描述了本发明的原理，但本领域技术人员应清楚地理解，这种描述仅是 通过示例进行的而不是对本发明范围的限制。因此，落在本发明的真实宗旨和范围内的对 本发明做出的所有修改都将涵盖在本发明的范围内。
权利要求
一种摩擦搅拌焊接装置，包括第一部件，其具有至少一个用于可旋转地接收摩擦搅拌焊接工具的支承面；第二部件，其具有至少一个用于可旋转地接收摩擦搅拌焊接工具的支承面；摩擦搅拌焊接工具，其具有可旋转地连接到所述第一部件中的所述至少一个支承面上的第一支承面和可旋转地连接到所述第二部件中的所述至少一个支承面上的第二支承面；其中，所述摩擦搅拌焊接工具上的第一和第二支承面之间的距离部分地决定了所述第一和第二部件之间的间距，和/或第一和第二部件适于接合两个工件中的至少一个以在所述工具旋转的同时为所述部件提供导向、对齐、固定、和扭矩补偿中的至少一个。
2. —种摩擦搅拌焊接装置，包括 第一部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具；禾口接合件，其连接到所述第一部件上以接合一个或多个工件中的至少一个。
3. 如权利要求2所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述接合件适于为第一部件提供导向。
4. 如权利要求2所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述接合件适于为第一部件 提供对齐。
5. 如权利要求2所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述接合件适于为第一部件 提供固定。
6. 如权利要求2所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述接合件适于为第一部件 提供扭矩补偿。
7. —种摩擦搅拌焊接装置，包括 第一部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具；与所述第一部件间隔开的第二部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具； 摩擦搅拌焊接工具，其连接到所述第一部件和第二部件上；连接到所述第一部件上的至少一个接合件，其适于接合一个或多个工件中的至少一个 的顶表面；以及连接到所述第二部件上的至少一个接合件，其适于接合一个或多个工件中的至少一个 的底表面。
8. 如权利要求6所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述第一和第二部件间隔开 一距离，该距离足以接收所述至少一个或多个工件，连接到所述第一和第二部件上的所述 接合件适于为所述第一和第二部件提供导向、对齐、固定、和扭矩补偿中的至少一个。
9. 如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接装置，还包括驱动结构，其被连接成在摩擦搅拌 焊接工具旋转时沿着一个或多个工件推动所述第一和第二部件中的至少一个以形成接头。
10. 如权利要求7所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，连接到所述第一部件上的所 述接合件适于接合工件的顶表面上的轨道；以及连接到所述第二部件上的所述接合件适于 接合工件的底表面上的轨道。
11. 如权利要求9所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道为凸起件。
12. 如权利要求9所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道为槽道件。
13. 如权利要求9所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道沿着直 的、弯的、或二者的组合的路径延伸。
14. 一种摩擦搅拌焊接装置，包括 第一部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具；在所述第一部件下方间隔开的第二部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具； 在所述第二部件下方间隔开的第三部件，其适于接收摩擦搅拌焊接工具； 摩擦搅拌焊接工具，其连接到所述第一部件、所述第二部件和第三部件上； 连接到所述第一部件上的至少一个接合件，其适于接合一个或多个上部工件中的至少 一个的顶表面；连接到所述第二部件上的适于接合所述一个或多个上部工件中的所述至少一个的底 表面的至少一个接合件，以及适于接合一个或多个下部工件中的至少一个的顶表面的另一 接合件；以及连接到所述第三部件上的至少一个接合件，其适于接合所述一个或多个下部工件中的 所述至少一个的底表面。
15. 如权利要求13所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个所述接合件适于接合 每个所述工件上的轨道。
16. 如权利要求14所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道为凸起件。
17. 如权利要求14所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道为槽道件。
18. 如权利要求14所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，每个工件上的轨道沿着直 的、弯的、或二者的组合的路径延伸。
19. 如权利要求13所述的摩擦搅拌焊接装置，还包括驱动结构，其被连接成在摩擦搅拌焊接工具旋转时沿着工件推动所述第一、第二和第三部件中的至少一个以形成接头。
20. 如权利要求14所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述接合件被弹簧加载以 将工件的边缘朝向彼此推动。
21. 如权利要求1所述的摩擦搅拌焊接装置，其特征在于，所述第一和第二部件的每个 都包括两个半部分，当分离时，所述两个半部分允许摩擦搅拌焊接工具设置于其内。
22. —种便携式摩擦搅拌焊接装置，其具有可以变尺寸的能力以适于各种尺寸的摩擦 搅拌焊接工具，从而焊接至少一对工件，所述装置包括一对部件，其中每个部件包括外表面、内表面、与外表面和内表面相邻的顶表面、与内 表面上的参考点相距预定距离设置的顶表面中的孔、以及设置在内表面中的轴承机构；部件连接器，其具有中心线和与该中心线相距预定距离的孔，其中，当该部件连接器与 所述部件对的顶表面相邻布置时所述孔与所述部件对的孔对准；其中，从部件连接器的中心线至部件连接器中的孔的预定距离与从内表面上的参考点 至顶表面上的孔的预定距离之间的差形成所述部件对之间的可变空间，由此，所述可变空 间与预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具相关联；以及驱动机构，其被设置在部件连接器中并被构造成可以操作地连接到预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具上。
23. 如权利要求22所述的便携式摩擦搅拌焊接装置，还包括与所述部件对并置的第二 对部件，在它们之间形成取决于预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具的销尺寸的空间。
24. 如权利要求23所述的便携式摩擦搅拌焊接装置，还包括与所述部件对或第二部件 对并置的第三对部件，在它们之间形成取决于预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具的另一销尺寸 的空间。
25. —种便携式摩擦搅拌焊接装置，其具有可以变尺寸的能力以适于各种尺寸的摩擦 搅拌焊接工具，从而焊接至少一对工件，所述装置包括一对部件，其中每个部件包括外表面、内表面、与外表面和内表面相邻的顶表面、？L、以 及设置在内表面上的轴承机构；具有预定长度的紧固件，其尺寸形成为与所述部件对中的孔协作以将所述部件对结合 在一起；和形成在所述部件对之间的可变空间，其由所述紧固件的预定长度决定， 由此，所述可变空间与预定尺寸的摩擦搅拌焊接工具相关联。
全文摘要
一种便携式摩擦搅拌焊接装置，其具有支撑用于使摩擦搅拌焊接工具(213)旋转的电机(308)的履带牵引装置(200)，该履带牵引装置被连接到用于沿着工件上的预定焊接路径推动该履带牵引装置的驱动机构上。所述履带牵引装置可以包括一个部件(201)或一组两个或三个物理上分离的部件(201，202，203)，每个部件可旋转连接到摩擦搅拌焊接工具上。当使用一个部件进行焊接时，其设置在工件的顶部上。当使用两个部件进行焊接时，一个部件设置在工件的顶部上而第二个部件设置在工件的底部上。当使用三个工件同时在上部工件和下部工件上进行两个焊接时，履带牵引装置的一个部件位于上部工件的顶表面上，第二部件位于两个工件之间，第三部件位于下部工件的底表面上。用于进行焊接的摩擦搅拌焊接工具被旋转地连接到每个部件上并限制所述的物理上分离的部件相对于彼此的轴向位移。当摩擦搅拌焊接工具旋转且所述履带牵引装置沿着接头运动时，所述部件适于接合工件上的轨道，从而为所述部件提供导向、对齐、固定、和扭矩补偿中的至少一个。
文档编号B23K20/12GK101795807SQ200880105718
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月8日 优先权日2007年9月7日
发明者D·J·斯平那拉, I·斯托尔, J·T·伯格, 小约翰·W·科伯斯 申请人:美铝公司