摩擦攪動焊接工具和方法技術

對于有一個轉動部件的摩擦攪動焊接工具的改進包括一個附裝的切削刀具，其有一個或多個切削刀刃。此外，提出了改進摩擦攪動焊接的方法，其包括：在傳統的摩擦攪動焊接工具上安裝一個有切削刀刃的切削刀具；在進行焊接時，在切削刀刃上加液體，以使切削刀刃的表面很快冷卻，而使材料不會粘結到切削刀刃上，使切削刀具將多余的焊接材料加工掉。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及摩擦焊接，特別是加工摩擦攪動焊縫的設備和方法。摩擦攪動焊接(FSW)是由英國劍橋的焊接學院(TWI)專利技術并取得專利的一種較新的焊接方法。關于這種焊接法及完成它的設備的詳細的描述見專利WO 93/10935、美國專利5,460,317及WO 95/26254。在FSW法中，使用一個非自耗性的轉動焊具來沿對接的接頭“攪動”金屬。這樣使得對接接頭兩邊的金屬完全地融合。在焊接之后，必須為那些要求一個平滑的接頭外表面的應用場合(例如疲勞負荷的組件、氣動力學的表面、精密接觸嚙合等)加工焊縫的上表面。加工焊件接頭處也有助于檢查焊接接頭的裂紋、傷痕等。由于FSW通常在一個傳統的銑床上完成，可以把對焊縫的加工作為第二道工序。但是，由于它比那些不需要一個加工的表面的用途要花雙倍的時間和努力來獲得一加工零件，這使此法增加了可觀的成本來生成一個成品。此外，預料將來的FSW機器，當它們為了作特殊目的的焊接而作了改進后變得不大像銑床。在這種情況下，可能難以用同一臺機器來完成焊接和加工焊縫表面，這意味著整個的過程要增加刀具加工成本及裝和卸的時間。因而，需要一種設備及方法以加工一個摩擦攪動焊縫的表面而不需要進行第二道工序或用第二臺機器。本專利技術就是為了滿足這種需要。根據本專利技術的一個方面，對摩擦攪動焊接工具提供了一個改進，包括一種切削刀具，其有一個或多個徑向的切削刀刃。此切削刀具通過一個或多個支持裝置安裝在一個傳統的移動摩擦攪動焊接工具上，因而在焊接時，改進了的焊接工具將對焊縫作加工。優選的切削刀具包括一個或多個可卸下的支持裝置，例如刀削插入物，附裝在摩擦攪動焊接的轉動部件上。每個支持裝置包括一個較低端，其上有一個切削刃或附裝其上或與之形成一整體。優選的切削刀刃可以從轉動部件上卸下來。當轉動部件轉動時，切削刀刃也轉動，以清除探頭及轉動部件上的干擾物。根據本專利技術的其它方面提供的切削刀具的第一個實例包括一個或多個切削插入物，每個有與之形成整體的較低端的刀刃；在轉動部件上有同樣數量的垂直方向的供插入配合的凹槽；一個卡圈，其尺寸可緊緊地安裝在裝有配合插入物的轉動部件上；一個卡圈附件使卡圈緊固在轉動部件上；以及一些固定螺釘將切削插入物裝在轉動部件上。卡圈上可以有多種帶螺紋的徑向孔，其位置相應于切削插入物及凹槽的位置。這些孔用于安裝固定螺釘以壓緊切削插入物并防止切削插入物在使用時移動。優選的卡圈包括在緊挨著每個切削插入物處的內切口。根據本專利技術的另一些方面提供的切削刀具的第二個實例包括切削插入物的柄的孔，延伸穿過轉動部件，與轉動部件轉動軸成一個角度A；可插入此插入物柄孔的切削插入物的柄；在轉動部件上有螺紋的徑向的孔；以及一個單螺釘，其旋入該徑向孔以使切削插入物的柄緊固在適當的地方。切削插入物柄包括一個有角的切削插入物，其可卸地附裝在切削插入物的柄的下端。有角的切削插入物包括一個或多個伸出的角，其可以用作切削刀刃。當一個角變鈍時，可轉動此帶角的切削插入物，一個新的角可以用作切削。提供了將帶角的切削插入物緊固到該切削插入物柄上去的裝置。根據本專利技術的另一些方面提供的切削刀具的第三個實例包括從轉動部件的下端徑向伸出的一個或多個小翼。這些小翼可以用傳統的方法如焊接或鑄造等法連接到轉動部件上成為整體。每個小翼上可卸地連接一個帶角的切削插入物，使一個角延伸到低于小翼的最低點。當角隨著轉動部件轉動時，該角清除焊接表面的殘屑。根據本專利技術的又一些方面，該切削刀刃優選設置在靠近轉動部件的下面周邊，其深度大約是相對于轉動部件的肩的0.002至0.010英寸，距轉動部件的外面和/或其低面的距離約為0.050至0.100英寸。如果可能的話，每個切削刀刃位于相對于轉動部件的轉動的相應的支撐件的前緣。根據本專利技術的又一些方面，對摩擦攪動焊接方法提供了一個改進，包括在傳統的摩擦攪動焊接工具上連接一個有切削刃的切削刀具，在焊接時對切削刃提供液體，以使切削刀具很快冷卻下來，以防止焊接物粘附在切削刀具上。根據本專利技術的又一些方面，一個優選的工藝包括供給水，其溫度約為室溫(例如10至30℃)，流速為每分鐘大約0.01至0.10加侖，呈一種水氣霧的方式，水可以在壓力下送出。根據本專利技術的其它一些方面，轉動部件連同其相應的切削刀具和探頭，相對于探頭直線移動的方向有一個稍稍向后的角度。在下面參考附圖對本專利技術的詳細描述之后，將可更好地理解本專利技術，更便于評價本專利技術的前述各個方面及其許多優點。其中附圖說明圖1是說明摩擦攪動焊接的第一種方法的等軸視圖；圖2A及2B是兩種不同的轉動部件的立側視圖；圖3是說明引入-引出板的透視圖；圖4是平面圖，說明塑化物質的流動及接合線處所產生的結果表面標記；圖5A、5B及5C分別是摩擦攪動焊接的第二個例子的等軸視圖、側視圖、平面圖；圖6A、6B及6C顯示用于圖5A-5C方法的不同類型的探頭形狀；圖7是焊接平板的上面及下面都產生焊道的進一步方法的圖解；圖8是根據本專利技術的切削刀具的第一個實施例的等軸視圖；圖9是圖8的切削刀具的側視圖；圖10是圖8的底部仰視圖；圖11是根據本專利技術的切削刀具的第二實施例的等軸視圖；圖12是圖11切削刀具的側視圖；圖13是圖11的切削刀具的底部仰視圖；圖14是根據本專利技術的切削刀具的第三實施例的等軸視圖；圖15是圖14的切削刀具的側視圖；以及圖16是圖14的切削刀具的底部仰視圖。下面首先討論前述諸專利中的摩擦攪動焊接方法及設備。在專利WO93/10935，美國專利5,460,317及WO 95/26254中描述的摩擦攪動焊接工具及技術與本專利技術相一致的部分合并在參考文獻中，隨后是本專利技術的切削刀具改進設備及方法的詳細描述。將工件連接起來的摩擦攪動焊接技術產生一個工件之間的結合區域，其包括的步驟為使一個比工件材料更硬的材料制的探頭進入接頭區域以及在接頭區域兩邊的工件的對立部分的一個或兩個部分，同時在探頭與工件之間進行相對循環運動，由此產生摩擦熱，造成對立部分的塑化狀態；移開此探頭，例如將探頭沿接頭區域移動；使塑化部分凝固而使工件連接在一起。這種技術使很多種類的工件能連接起來，工件材料可以是金屬、合金或復合材料，例如金屬基復合材料(MMC)或合適的塑料如熱塑性塑料。本專利技術的切削刀具改進實際上可以用于任何具有一個非自耗性的探頭的摩擦攪動焊接工具，圖1所示是這種焊具的一個透視圖。一對工件，平板1A和1B(例如鋁合金板)被沿對接線2對接在一起，一個帶有一個位于上部和下部5，6之間的狹窄的中心筒狀的尖頭4的非自耗性的探頭3(例如鋼探頭)被放在對接線2的一端的開始處，部件5、6的近端都有一個肩10及面11。工件在焊接時通常不互相靠近，而是在探頭通過時受限制不從對接區域挪開。帶著探頭3的轉動部件5是用馬達7轉動的，與此同時，焊接是沿對接線2的標號8的方向橫過，同時將平板保持不從探頭3的側向離開。轉動的探頭3產生摩擦熱，在鋼尖頭4的周圍產生局部的高度塑化材料區，而由部件5和6提供上部和底部的約束力。在探頭移開或通過后，這些塑化的攪動的區域會立即凝聚并固化。冷卻后，塑化材料使工件1A和1B結合在一起，此方法一般是將兩個對接的表面的混合，通常混合的溫度低于焊接材料的正常熔點。優選使帶探頭的轉動部件5相對于沿著探頭移動的直線方向稍稍向后斜置。探頭的斜置本文檔來自技高網...

【技術保護點】
在具有裝配在一個轉動部件上的非自耗性的轉動探頭的摩擦攪動焊接工具中，其中的改進包括： （ａ）一個或多個切削刀刃；及 （ｂ）一個或多個支持裝置，以將切削刀刃安裝到所述轉動部件上； 所述轉動部件和所述非自耗性探頭的轉動使所述一個或多個切削刀刃同樣轉動，從而使所述一個或多個切削刀刃對摩擦攪動焊縫的外表面進行機加工。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：凱文J科利根，史蒂文J阿維拉，
申請(專利權)人：波音公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]