[发明专利]搅拌摩擦焊装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊装置，搅拌头，能够以绕旋转轴旋转的方式被驱动，包括驱动端和自由端，其中，在所述驱动端和所述自由端之间存在圆柱形的接合部，所述接合部沿所述旋转轴轴向地延伸，所述接合部的圆周表面用来与一个或多个工件接合；第一轴肩元件，设置在所述接合部的面向所述驱动端的一侧并相对于所述旋转轴同心围绕于所述搅拌头，所述第一轴肩元件包括第一支承面，所述第一支承面面向所述接合部并且与所述旋转轴垂直地延展，以及第二轴肩元件，设置在所述接合部的面向所述自由端的一侧并相对于所述旋转轴同心围绕于所述搅拌头，所述第二轴肩元件包括第二支承面，所述第二支承面面向所述接合部并且与所述旋转轴垂直地延展，其中所述第二支承面延伸至所述接合部，且其中所述第一轴肩元件用来抵靠一个或多个工件的第一表面，所述第二轴肩元件用来抵靠所述一个或多个工件的与第一表面相对的第二表面。

背景技术

摩擦焊接的原理涉及通过不同工件间或工件与焊头(tool)的摩擦使得一个或多个工件的材料先被塑化而后再被固化。在搅拌摩擦焊中，待焊接的两个工件(一般为金属材质)先彼此抵靠放置。这可能表示，如，两个金属板(plates)或金属片(sheets)表面对表面(搭接)地放置，或者以窄侧面彼此相靠(对接)的方式彼此相邻地设置。如此一来，搅拌摩擦焊工具在接触面区域中伸入(例如通过焊孔或从边缘)到两个工件至少之一的材料中。

搅拌摩擦过程是由焊头的旋转所带来的，所述焊头与至少一个工件摩擦，并使得两个工件至少之一的材料塑化。在此同时，搅拌摩擦焊头可选地沿两个工件的界面移动。随后，两个工件界面处的被塑化材料冷却，形成保持两个工件连接的焊缝。

已知的现有技术存在许多种搅拌摩擦焊设备，例如WO 2006/055530。所有这些设备的共同点为，大致为圆柱形或锥形的搅拌头具有与至少一个工件接合的接合部分，搅拌头还具有抵靠在所述至少一个工件的表面上的轴肩元件。搅拌头与轴肩元件受到旋转模式的驱动，搅拌头伸入工件间(如待焊接的两个彼此正对放置的工件之间)使轴肩元件抵靠该工件的表面。

搅拌头以及轴肩元件对工件的摩擦，引起工件间毗连区域中材料的塑化。随着装置沿着两个工件的接触面做向前运动，当沿运动方向看起来时，由旋转的搅拌头引起塑化的材料被转移至搅拌头的后沿，此被塑化的材料与另一个工件的被塑化的材料结合，形成焊缝。

为使搅拌摩擦焊头能够在工件的两个表面上得到支撑且将工件彼此对准，可使用带有第一和第二轴肩元件(以管筒工具被熟知)的搅拌摩擦焊装置，其中第一和第二轴肩元件抵靠(一个或更多个)工件的对立表面。此种装置是已知的，例如见JP2008/296285或EP 1738856B1。

但是，具有管筒结构的搅拌摩擦焊装置的问题在于，为了在向两个轴肩元件传递扭矩的同时与至少一个工件的待塑化区域摩擦，搅拌头必须吸收非常高的机械负荷和热负荷。因此，为了不损坏装置，搅拌头可接受的向前运动速度受限于工件，这样就使得整个焊接过程的持续时间增加。但是，受限的速度必定来自于机械方面，搅拌头的向前运动导致在工件塑化区域以及搅拌头区域过高的过程温度，这样可能一方面不利于焊接接头的质量，另一方面会损坏搅拌头本身。

此外，当使用筒管配置时，该搅拌摩擦焊头的处理速度相比于常规搅拌摩擦焊头低很多。由于这些原因，迄今为止，在搅拌摩擦焊中使用管筒配置只是次要的。

发明内容

因此，在现有技术的基础上，本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊装置，所述搅拌摩擦焊装置能够降低搅拌头的机械负荷和热负荷以及工件的热负荷。

通过以可绕旋转轴自由旋转的方式连接到搅拌头的第二轴肩元件来实现该目的。在这种方式下，搅拌头并不向第二轴肩元件传递任何扭矩，而是相对第二轴肩元件自由旋转。因此，所述第二轴肩元件并不相对至少一个工件的表面执行任何旋转运动，所以也没有因旋转运动所引起的摩擦，而所述摩擦是第二轴肩元件以及至少一个工件升温的原因。因为第二支承面延伸至搅拌头的接合部，这样仅仅是接合部在其旋转过程中产生摩擦热。而第二轴肩元件不增加摩擦热。

因此，搅拌头机械负荷和热负荷减小了。(一个或更多个)工件的热负荷也减小了。反过来，工件较低的最高温度代表了更高质量的焊接接头。此外，具有较低的热负荷和机械负荷的搅拌头，可设定较高的摩擦速度，也即搅拌头可以较高的速度在材料中向前运动。在这种方式下，一方面搅拌头和工件的温度可以进一步的降低。另一方面，较短的过程持续时间也可带来更有效的焊接工艺。