专利名称:摩擦搅拌焊方法
技术领域：
本发明涉及一种用于例如铝合金框架构件等的焊接的摩擦搅拌焊。本发明尤其是涉及一种用于例如在两个对接的铝合金框架构件的待焊接部分的高度位置不同时的焊接的摩擦搅拌焊。
旋转焊具包括一个插向焊接部分的小直径段和一个定位于小直径段外部的大直径段。旋转焊具的小直径段和大直径段位于同一轴线上。
使旋转焊具的大直径段的一侧和旋转焊具小直径段的一侧转动。例如，对用铝合金材料制成的两个待焊接框架构件的一个对接部和一个搭接部进行摩擦搅拌焊。
另外，一个凸向旋转焊具的大直径段一侧的凸起部设在待焊接框架构件的焊接部分上。此框架构件的凸起部与一个空心挤压框架构件宽度方向上的一个端部成一整体。
上述凸起部变成填覆在两个空心挤压框架构件间形成的间隙的填覆材料。当框架构件凸起部的一个侧面形成产品的外表面如有轨车辆车体外侧面的时候，在焊接后切除框架构件的残余的凸起部。
当上述凸起部设置在挤压框架构件上时，可以沿成形方向设置凸起部。但是，框架构件的凸起部不能设置在挤压部的一端，换句话说，框架构件的凸起部不能设置在凸起部设置侧的垂直方向上。
结果，当挤压框架构件彼此相互垂直地布置并且试图对挤压框架构件的端部实施摩擦搅拌焊时，在一个挤压框架构件的一端部上存在凸起部，而在另一个挤压框架构件上没有凸起部。
因此，人们认为不能实现两个挤压框架构件的良好焊接，这是因为另一个挤压框架构件在焊接部分上没有凸起部。
在两个挤压框架构件焊接部分宽度方向上的表面的高度位置彼此不同的情况下，将证明上述事实。换句话说，当在一个框架构件宽度方向上的表面的高度不同于在另一个框架构件宽度方向上的表面的高度时，或在一个框架构件宽度方向上的表面的顶部高于或低于在另一个框架构件宽度方向上的表面的顶部时，将证明上述事实。
上述目的可以这样实现，即当两个构件的焊接部分表面的高度位置不同时，对较低构件的表面进行堆焊，随后对这两个构件的焊接部分进行摩擦搅拌焊。
另外，上述“两个构件的焊接部分表面的高度位置不同”是指，在假设上述表面侧例如朝上布置而旋转焊具被确定为定位基点的情况下，例如从旋转焊具到焊接部分表面的距离是不同的。上述“较低构件”是指那个距离旋转焊具较远的构件。
图5示出了在其中对图4的两个框架构件进行了摩擦搅拌焊的焊接之后的状态；图6是表示有轨车辆车体的侧视图，其中根据本发明对车体进行了摩擦搅拌焊；图7是表示另一个有轨车辆的另一车体的侧视图，其中根据本发明对该车体进行了摩擦搅拌焊；图8是图7所示两个框架构件的VIII-VIII截面图；以及图9是表示另一个有轨车辆的另一个车体的剖视图，其中根据本发明对车体进行了摩擦搅拌焊，图9对应于图8所示的实施例。
在图6中，有轨车辆的侧构架体20是通过连接许多个铝合金挤压框架构件30、40、50而形成的。布置在出入口21和窗口25之间的铝合金框架构件30、30的成形方向和布置在一个窗口25和布置在窗口25附近的纵向成形的挤压框架构件30之间的框架构件30、30的成形方向在图6中分别是纵向。
在窗口下部的铝合金挤压框架构件40、40的成形方向在图6中是横向。换句话说，挤压框架构件30的成形方向和挤压框架构件40的成形方向相互垂直地布置。
在出入口21上部的铝合金挤压框架构件50的成形方向在图6中是横向。参考数字28表示车体探架。这些构件通过摩擦搅拌焊和普通的MIG焊接方式被焊接起来。
参见图4和图5，以下将描述成形方向相同的挤压框架构件30、30相互间的摩擦搅拌焊。与之相似地对挤压框架构件40、40进行摩擦搅拌焊。
挤压框架构件30(与框架构件40、50相似地)在车体外侧和车体内侧具有一块平板31，其上布置了许多个凸肋33。凸肋33沿挤压框架构件30的成形方向设置(与框架构件40、50相似)。
在挤压框架构件30的宽度方向(垂直于挤压框架构件的成形方向的方向)的一端上(框架构件30、30相互对接的端部)，设有一个用于挤出侧面内的(凸肋33侧)车体的凸起部32。
框架构件30的凸起部32的凸起高度或凸起尺寸用h表示。平板31的端部和凸起部32的端部的表面32b基本上布置在垂直于框架构件30的平板31的顶面32c或其外表面的方向上。
因此，当两个挤压框架构件30、30对接时，框架构件30、30的平板31端部的表面32b、32b彼此接触。但是，这是理想的情况。对接部被认为是一种I形槽结构。
当对两个框架构件30、30进行摩擦搅拌焊时，为了不在两个框架构件30、30之间形成间隙(形成有预定值的间隙)，挤压框架构件30、30被固定在一个底座60上。挤压框架构件30和平板31的凸起部32朝上，并且平板31安装在底座60上。
另外，挤压框架构件30、30端部的焊接部分被制成与底座60接触。底座60由钢材料制成。
一个实施两个框架构件30、30的摩擦搅拌焊的旋转焊具70从上方插向焊接部分。旋转焊具70由一个大直径段71和一个位于大直径段71的末端(下端)的小直径段72构成。
旋转焊具70的大直径段71和小直径段72的分界部73(旋转焊具70的大直径段71的外周边部分)成弧形，它凹向大直径段71的一侧。小直径段具有螺纹结构。
在摩擦搅拌焊过程中，分界部73(旋转焊具70的大直径段71的外周边部分)定位于框架构件30的凸起部32中。换句话说，分界部73定位在位于凸起部32的顶面32c与在框架构件30的平板31内面侧的表面31b(非凸起部的表面)之间的中间段内(中间段的长度是凸起高度h)。
通过使旋转焊具70转动并将其插入两个挤压框架构件30、30的焊接部分并继续使旋转焊具70转动并沿两个挤压框架构件30、30的焊缝移动而实施摩擦搅拌焊。
另外，在大直径段71一侧的旋转焊具70的轴心相对于旋转焊具70的移动方向向后部倾斜。因此，旋转焊具70的大直径段71的前端被布置在框架构件30的凸起部32的顶面32c的外表面侧(在图4中，顶面32c的上方)。
旋转焊具70的大直径段71的后端定位于框架构件30的凸起部32上(线32d的位置)。换句话说，旋转焊具70大直径段71的后端定位于凸起部32的顶面32c与框架构件30的平板31的表面31b的延长线之间。上述的“前”、“后”是以旋转焊具70的移动方向为基准而定义的。
以下将解释各构件的尺寸之间的关系。框架构件30凸起部32、32的顶面32c、32c的宽度W1在两个凸起部32、32对接时大于旋转焊具70的小直径段72的直径d，但小于旋转焊具70的大直径段71的直径D。顶面32c的宽度W1可以被设置成大于旋转焊具70的大直径段71的直径D。
两个凸起部32、32的根部的宽度W2大于旋转焊具70的大直径段71的直径D。小直径段72的成形尺寸或延伸高度H在旋转焊具70后端的分界部73位于框架构件30的凸起部32上时具有一个旋转焊具70的小直径段72的末端接近底座60的值。
例如，平板31的外表面31c与旋转焊具70的小直径段72的末端之间的距离定为0.1mm。换句话说，不使旋转焊具70的小直径段72的末端接触底座60地定位。凸起部32的顶面32c和框架构件30根部的平板31的表面31b与斜面32e相连。
在两个挤压框架构件30、30被固定在底座60上之后，进行摩擦搅拌焊。一种用于驱动旋转焊具70转动的装置具有伴随旋转焊具70的移动而移动的压辊。
在旋转焊具70的移动方向上，安置在旋转焊具70上的压辊被布置在旋转焊具70的后部和前部的左右。当旋转焊具70被插入两个挤压框架构件30、30中时，压辊接触两个挤压框架构件30、30的表面31b、31b，两个挤压框架构件30、30被压到底座60上。
图5示出了在按照本发明的摩擦搅拌焊之后两个挤压框架构件30、30的状态或情况。其中插入大直径段71的挤压框架构件30的凸起部32的材料被供给一条成型于对接的两个框架构件30、30之间的间隙并作为小平面地溢流到这两个挤压框架构件30、30的外表面上。或者，材料象肋片那样保留下来。
因此，这两个挤压框架构件30、30的两个凸起部32、32的中心部形成了一个凹部35。因旋转焊具70的转动而软化的材料填覆了在这两个框架构件30、30之间的间隙。例如，框架构件30的凸起部32的材料流向上述间隙，并由凸起部32的材料填覆了这个间隙。
从旋转焊具70的小直径段72的末端开始，软化的材料流向下部间隙，接着由上述软化的材料填覆所述间隙，结果，间隙(框架构件30、30的下端)的外表面31c的侧面基本上与框架构件30的平板31的外表面31c平齐。参考数字36表示根据上述材料形成的焊道。
由于在框架构件30、30的外表面31c侧的焊接部分基本上与框架构件30、30的外表面31c形成同一表面，所以可以使焊接过程中的填充料很薄。另外，由于在没有焊道36的外表面上存在凸起部32，所以可以根据无涂层的微小裂纹处理方式(hair line processinghaving no coating)完成焊接。
因此，如图6和
图1所示，在底座60上固定安装了焊接的挤压框架构件30、30的组件和两个挤压框架构件40、40的组件。事先，将在这两对对接部(这变成焊接部分并且此焊接部分存在于焊接部分的两端)的框架构件40和挤压框架构件40附近的凸肋43切掉。因此，平滑地形成了挤压框架构件40。
结果，当根据摩擦搅拌焊对此实施例中的上述焊接部分进行焊接时，摩擦搅拌焊接部分的附近被压辊压住。
随后，在图1～图3中，在这两个组件的对接部(焊接部分)处对两个挤压框架构件40、40的端部进行堆焊。最好形成一个具有对应于框架构件30的凸起部32的高度和宽度的高度和宽度的堆焊部42。沿着焊缝连续地但也可以间隔地进行堆焊是理想的。
例如，在大约1cm的位置上进行堆焊并间隔大约1cm，然后重复进行。堆焊的强度等于摩擦搅拌焊中的强度，材料根据旋转焊具70的转动而没有溢出。允许形成一个间隙，因此根据旋转焊具70的大直径段71，使材料象承口那样上扬并随后形成了凹部35。
接着，如上所述地对框架构件30、30和挤压框架构件40、40进行摩擦搅拌焊。如上所述地进行摩擦搅拌焊，使外表面31c、41c侧基本上与平板31、41的外表面31c、41c平齐。
当没有堆焊部42时，由于旋转焊具70的大直径段71和小直径段72几乎未被挤压框架构件30和挤压框架构件40覆盖，所以凸起部32的材料象承口那样外流并且材料几乎不填充间隙。结果，不可能对挤压框架构件30、40进行良好的焊接。
但在本发明的这个实施例中，由于堆焊部42用于替代框架构件30的凸起部32，所以可以对挤压框架构件30、40进行良好的焊接。
在本发明的这个实施例中，堆焊部42是间隔地形成的，但是它是从框架构件30一侧的凸起部32到框架构件40一侧地形成的，这是因为实现了材料流动。
另外，根据旋转焊具70的转动和移动，凸起部32的材料和堆焊部42的材料移向旋转焊具70的后部。利用上述事实，可以基本上实现没有堆焊部42的良好的焊接。
如此形成的焊接部分基本上变成了图5所示的样子。挤压框架构件30的凸起部32是挤压框架构件30的相同构件，并且对应于挤压框架构件40的凸起部的部分是根据堆焊方式形成的。
当未涂漆地完成外表面时，根据TIG焊接方式进行上述的堆焊。填充材料是与框架构件30、40相同的材料。例如，通过切削框架构件30、40来获得填充材料。例如，框架构件30、40的末端材料被用于填充材料。根据此实施例，在焊接部分处没有颜色变化并可以获得美好的外观。当填充材料是另一种材料时，在焊接部分出现了颜色变化并且不能获得优美的外观。
在本发明的上述实施例中，在堆焊后可以将框架构件装到底座60上。在本发明的上述实施例中，挤压框架构件彼此被焊接起来而形成了侧构架体，但本发明也可被应用于其它部件。
以下将描述图7、8所示的本发明的另一个实施例。一个挤压框架构件80被布置成其纵向指向车体的纵向。挤压框架构件80是一个铝合金的空心框架构件。在端部的两面上且在挤压框架构件80的宽度方向上形成一个凸起部。
利用凸起部通过摩擦搅拌焊接将框架构件80、80相互焊接在一起。参考数字86是一个窗口，参考数字87是一个出入口。
参考数字90、95是用于构成出入口87的框架的挤压框架构件。框架构件90形成了一个框架的垂直侧，而框架构件95形成了该框架的下侧和上侧。
挤压框架构件90、95被彼此焊接在一起。挤压框架构件90、95和挤压框架构件80由摩擦搅拌焊焊接在一起。框架构件90是一个铝合金的空心框架构件。
凸起部92、92设置在框架构件90的焊接部分端部的两面上。另外，设置了伸向框架构件80一侧的凸片93、93。凸片93、93被插入空心框架构件80的两块板81、82的内侧。
在框架构件80中，除去或切掉内部肋83以便插入凸片93、93。在框架构件90的垂直片91的板厚范围内，形成了一个在凸起部92和框架构件80之间的抵接面。框架构件95的结构与框架构件90的结构相同。基本上平行地布置两块板81、82。
在对框架构件80、80进行完摩擦搅拌焊之后，安置框架构件90、95。将框架构件80、80、90、95(不包括凸起部92)安装在底座60上。沿着框架构件90、95，对框架构件80、80、...的端部进行堆焊。在堆焊后进行摩擦搅拌焊。
对每个面进行摩擦搅拌焊，或者同时对每个面进行摩擦搅拌焊。在摩擦搅拌焊之后，切掉在有轨车辆车体外侧上的凸起部和堆焊部，接着使有轨车辆的车体外侧面变得光滑。
本发明的上述实施例可被用于其中窗口框架是根据摩擦搅拌焊方式安装的情况。另外，在上述实施例中采用了空心框架构件，也可以采用图1所示的框架构件。
在根据本发明的上述实施例中，在存在加工误差的情况下，端部厚度不同的构件被对接在一起，在焊接部分表面的高度位置不同时候，对下侧构件进行堆焊，并可以在堆焊后进行摩擦搅拌焊。
另外，术语“焊接部分表面的高度位置不同”是指，假设上述表面的一侧是例如指向上方地朝上布置的，而例如旋转焊具是基点，则它是指从旋转焊具到焊接部分表面的距离是不同的。术语“下侧构件”是指一个距离旋转焊具较远的构件。
以下将解释图9所示的另一个实施例。图9所示结构等同于图8所示结构。空心框架构件80端部的凸肋83和车体内侧的板82的端部的凸肋被切去。一个挤压框架构件100的车体外侧的端部与板81对接在一起。为挤压框架构件100的端部设置了一个凸起部102，该凸起部102凸向车体外侧。
没有凸起部102的挤压框架构件100的外表面和板81的外表面被布置在同一平面内。在挤压框架构件100的车体内侧的表面的凸片103与挤压框架构件80的车体内侧的板82叠置。因强度关系，挤压框架构件100不是一个空心框架构件。挤压框架构件100是一个实心框架构件。
在实心挤压框架构件100安装在底座60上的情况下，从上部开始对位于板81与挤压框架构件100之间的对接部进行摩擦搅拌焊。包括凸起部102在内地进行摩擦搅拌焊。随后，翻转上述构架体并接着采用电弧焊方式对凸片103和板82进行角焊。另外，在没有设置凸片103的情况下，对板82与挤压框架构件100之间的对接部进行焊接。
本发明的技术领域：
不局限于权利要求
书中各项权利要求
所记载的特征，或者本发明不局限于本发明综述中的用词，而是它覆盖了一个本领域普通技术人员能进行简单替换的范围。
根据本发明，在两个构件的焊接部分处的表面高度位置不同的时候，可以对这两个构件进行良好的焊接。
权利要求
1.一种在两个对接构件的待焊接部分的表面的高度位置不同的情况下进行的摩擦搅拌焊方法，其特征在于，对较低构件的一个表面进行堆焊；从所述两个构件的堆焊层一侧开始对对接部进行摩擦搅拌焊。
2.如权利要求
1所述的摩擦搅拌焊方法，其特征在于，沿着待焊接方向间断地进行堆焊。
3.一种摩擦搅拌焊方法，其特征在于，它包括将其中一个端部具有一个加厚部的第一构件和一个其端部厚度小于第一构件端部厚度的第二构件的端部对接起来；对第二构件的端部进行堆焊；以及从堆焊的焊接侧起对对接部进行摩擦搅拌焊。
4.一种制造车体的侧构架体的方法，其特征在于，通过摩擦搅拌焊接许多挤压框架构件而形成了两对框架构件组件；邻接所述两对框架构件组件一侧的端部和该对组件另一侧的端部并且一侧挤压框架构件对的成形部与另一侧挤压框架构件对的成形部基本上直交；沿所述端部并在第一挤压框架构件的宽度方向上设置一个凸起部；在对接部之前或之后，在对接部处对第二挤压框架构件进行堆焊；以及从堆焊层一侧起进行摩擦搅拌焊。
5.如权利要求
4所述的车体的侧构架体的制造方法，其特征在于，堆焊是通过采用填充材料的TIG焊接方式实现的，所述填充材料与第一挤压框架构件或第二挤压框架构件的材料相同。
6.一种制造车体的侧构架体的方法，其特征在于，对许多挤压框架构件进行摩擦搅拌焊；将一个构成一出入口的构件的一端部或构成一个窗户的框架的一端部与所述挤压框架构件的一端部对接，所述构件沿所述端部具有一个凸起部；在对接之前或之后，在对接部对第二挤压框架构件进行堆焊；以及从堆焊层的一侧起进行摩擦搅拌焊。
7.如权利要求
5所述的车体的侧构架体的制造方法，其特征在于，所述凸起部位于车体内侧，所述堆焊和摩擦搅拌焊是从车体内侧进行的。
专利摘要
在一侧框架构件30的板31的端部上表面上设置了一个凸起部32。另一框架构件40的板41的端部与框架构件30的板31对接。框架构件30、40是铝合金的挤压框架构件。它们的成形方向相互垂直。对框架构件40的板41的上表面进行堆焊。在这种情况下，从上部插入旋转焊具并进行摩擦搅拌焊。因此，堆焊起到了凸起部32的作用并可以实现良好的焊接。
文档编号B23K20/12GKCN1139454SQ99120570
公开日2004年2月25日 申请日期1999年9月29日
发明者佐藤章弘, 江角昌邦, 福寄一成, 成, 邦 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (2),