具有帶不同區(qū)域的肩部的攪拌摩擦焊接工具；使用這種工具的方法；利用這種工具焊接的產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于連接兩個相鄰的工件（10）的攪拌摩擦焊接工具（20），該工件包括要被焊接的部分（6）并且它們之間在一側上具有狹窄空間，所述工具具有轉動軸線，并且包括第一肩部（1）、第二肩部（2）以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷（3），其中所述第一肩部具有第一接觸表面用于在焊接期間對要被連接的工件產(chǎn)生摩擦熱，所述第一接觸表面具有第一接觸區(qū)域，所述第二肩部具有第二接觸表面用于對要被連接的所述工件的相同部分的相對表面（5）產(chǎn)生摩擦熱，所述第二接觸表面具有第二接觸區(qū)域，所述第一和第二接觸區(qū)域具有不同的尺寸，其中第一接觸區(qū)域是比第二接觸區(qū)域尺寸更大的區(qū)域。本申請還涉及一種連接工件的方法、包括連接好的工件的產(chǎn)品以及這種攪拌摩擦焊接工具的用途。
【專利說明】具有帶不同區(qū)域的肩部的攪拌摩擦焊接工具；使用這種工具的方法；利用這種工具焊接的產(chǎn)品
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊接工具、一種將尤其具有復雜幾何形狀的工件連接成包括連接好的工件的產(chǎn)品的方法、以及具有改進的進入窄的空間內(nèi)的能力和更高產(chǎn)量的攪拌摩擦焊接工具的用途。
【背景技術】
[0002]使用攪拌摩擦焊(FSW)用于兩個金屬或塑料工件的連接在本領域中是公知的。其實，F(xiàn)Sff采用非消耗的轉動工具，該轉動工具通過其接觸表面與工件相互作用以產(chǎn)生摩擦熱，從而將焊接區(qū)中的材料塑性化。焊接區(qū)中材料的局部軟化便于工件材料的混合，在工具沿著焊接方向平移后形成焊縫。塑性化的材料在處理載荷下易于從焊接區(qū)流掉，這又可導致焊縫中形成內(nèi)部或表面破壞缺陷。這是通過在焊接區(qū)周圍的工件材料的輔助下限制焊接區(qū)中的軟化材料來避免的，如果需要，工具肩部具有與工件相互作用的接觸表面以及適當?shù)闹渭?比如支承桿)，以便將塑性化材料保持在焊接區(qū)中。
[0003]例如，JP2007-253210,圖1_9示出了平的金屬工件的攪拌摩擦焊，其中軟化材料的限制是通過使用由銷相互連接的兩個肩部實現(xiàn)的。在除平的工件之外的其它工件結構情況下(例如具有有限入口和空間，用以從傾斜的內(nèi)部三角形壁之間的焊接區(qū)的底部進行支撐的支撐件，如這里圖示的)，已知的傳統(tǒng)FSW工具是不適用的。在這些情況下，通常需要熔焊技術，其產(chǎn)生低質(zhì)量的焊縫并且生產(chǎn)力較低，尤其對于較厚部分的焊接。如JP2007-253210的圖9中圖示的一種替代方式提供了使用傳統(tǒng)的對稱平衡FSW工具的可能性，該工具具有尺寸相等的肩部。然而，對稱的三角形型材在焊接平面不能實現(xiàn)最佳的載荷力分布。
[0004]鋁板的完美的三角設計實現(xiàn)了較好的結構完整性以及所使用的結構材料的最佳的使用率。由施加的彎矩和力帶來的應力均勻地分布，意味著材料是被完全使用的，部分地是由于力的作用線在材料內(nèi)匯合。通常，三角形型材腔相比于矩形腔顯著增加了剪切阻力，這是因為在三角形中不存在平行邊。三角形的固定邊長度的結構穩(wěn)定性確保了在施加負載后形狀沒有變化，例如在結構工程中的桁架結構中使用。與在框架結構中相反，矩形形狀需要長度和角度固定以便在施加載荷時保持其形狀。
[0005]例如，這種問題出現(xiàn)在利用由鋁合金材料制成的多孔中空擠壓件或型材、通過FSW方法連接擠壓件來形成雙層面板而進行所謂的雙層面板的制造中，其具有有利的強度-重量比。這些面板可以用在建筑結構中(比如橋梁或類似物)，或者用在物體運輸設備中(比如需要抗腐蝕的高強度輕重量結構的船舶、鐵路和汽車設備中)。這種由鋁合金擠壓的多孔中空型材通常包括稱作板材或殼板的第一平坦部、稱作板材或殼板的第二平坦部以及布置在所述第一與第二平坦部之間的相互連接的垂直或傾斜的內(nèi)部壁或桁架，從而形成在垂直于擠壓成型方向基本是三角形的橫截面，如例如US7, 665，651示出的。
[0006]US7，665，651B2涉及兩個多孔中空擠壓件通過FSW形成雙層面板的對接連接。每個雙層面板包括上板和下板。為了可以使用FSW，在上板和下板之間布置豎直板構件，以在實施攪拌摩擦焊的位置提供支撐。
[0007]雙層面板的傾斜內(nèi)壁承載載荷并將載荷分布在為整個面板提供強度的整個型材上。型材的傾斜內(nèi)壁理論上在垂直于擠壓成型方向的橫截面中形成規(guī)則的或者對稱的三角形中空部。由于使用該型材期間的載荷分布，型材橫截面的三角形越均勻越規(guī)則，焊接得到的最終面板的強度就越好越高。穿過相鄰傾斜內(nèi)壁的載荷分布線將優(yōu)選地在稱作板材或殼板的各平坦部內(nèi)彼此相交，即在型材或最終的面板材料或面板本體內(nèi)，以便避免加載產(chǎn)生彎矩或者將彎矩減到最小。這種設計減小了在使用中過多彎矩作用在面板上的風險，并因此增強了整個結構。
[0008]如上面所述的在FSW期間對于從下側支撐焊接區(qū)的需要可以通過放置在焊接區(qū)下面的單獨的支撐件(墊板)或者替代性地如在US7，665，651中圖示的可通過位于下面的工件延伸部形成(一體墊板)而以不同的方式解決。該技術方案具有在焊縫附近形成裂縫狀凹口的缺點，這不利地影響結構的疲勞性能。除此之外，濕氣會聚集在接合面之間的裂縫中，并導致焊接區(qū)中的加速腐蝕，并因此使結構變得更弱。此外，這種型材結構在擠壓型材的橫截面視圖中沒有提供用于焊接面板內(nèi)載荷分布的最佳運用的規(guī)則的對稱三角形形狀，這使得所述面板在一些最終焊接好的面板區(qū)域內(nèi)易于承受彎矩和剪切。
[0009]已經(jīng)提出了許多其它的技術方案，即在焊接區(qū)中提供對塑性化材料的支撐，例如如在上面提到的JP2007-253210中闡述的，通過附接到兩側上的銷的等尺寸的肩部(所謂的平衡Bobbin FSff工具)或者類似于US6，199，745的調(diào)節(jié)兩個相對肩部之間的距離(或者銷長度)的工具。然而，JP2007-253210的工具由于在傾斜內(nèi)壁之間缺少用于工具的進入空間而不能用于在要被連接的型材之間形成的三角形空間的錐形端處焊接相對的平坦部。因此，三角形空間的相對錐形端處的連接必須由其它傳統(tǒng)的方法焊接。這不是太優(yōu)選的，因為不同的焊接方法導致面板兩側上焊接部的不同性能。等尺寸的肩部施加基本對稱的載荷以便將焊接區(qū)中的材料塑性化，并且它們將焊縫區(qū)域中的塑性化材料保持在兩焊接工件的兩側上的合適位置。對稱的載荷又消除了作用在型材板法向的力。雖然這總體上是希望的，但是該技術方案具有固有的局限性，即上面描述的提供了最佳載荷分布的內(nèi)壁的有利的三角設計通過目前為止的可用設備是不可實現(xiàn)的，這是因為在所需的焊接區(qū)中的用于FSW工具肩部有限的可用空間。具有足夠小的對稱肩部以裝入傾斜三角內(nèi)壁之間的這種有限空間中的工具將具有對材料塑性化提供有限熱量輸入的缺點，由于不合算的低的處理速度(或者工具的線性運動)這將導致低的生產(chǎn)率。肩部的足夠的尺寸將在傾斜壁之間需要足夠的空間(如在JP2007-25310的圖9中示出的)，這又將阻止傾斜內(nèi)壁的有利的三角形設計，并且將阻止力分布線在面板材料內(nèi)的相交。如上面敘述的，這將使面板承受彎矩，并且將限制焊接得到的最終產(chǎn)品的強度。
[0010]一些傳統(tǒng)的工具包括提高熱量輸入從而提高該工藝的生產(chǎn)率的裝置。例如，所述肩部可以裝備有延伸部和溝槽，如在JP2002-263863中闡述的，它們一起促進塑性化材料的流動。然而，在這種情況下，接觸表面結構將材料流從中心部引到肩部周邊，如在JP2002-263863的圖5中示出的，并因此所述材料可能溢出，這可以導致具有低的強度和升高的腐蝕風險的焊縫。
[0011]許多方法可用于連接雙層面板，比如軟釬焊、粘結、傳統(tǒng)的焊接、熔焊和攪拌摩擦焊。希望焊縫快速并節(jié)省成本地形成，高強度并抗疲勞和腐蝕的，而沒有導致腐蝕和損害結構機械完整性的內(nèi)部缺陷。面板的平坦側應該優(yōu)選地由相同的方法焊接以便在兩側上提供相同性能的接縫。然而這通過JP2007-253210是不可實現(xiàn)的。此外，焊縫對連接的物體將沒有影響或者具有很小的影響。
[0012]在JP2004-216435中闡述了另一種FSW工具和方法，其中由于工具的設計上下肩部在彼此相反的方向上轉動，這種設計需要非常復雜的裝備并且由于由兩個肩部在彼此相反方向上轉動的塑性化材料的集中混合導致了相當不理想的焊縫。這種工具由于上述原因不能用于焊接有限空間的結構。
[0013]通過FSW工具和工藝的連接在用于不同設備中的面板生產(chǎn)中具有特別的優(yōu)點，因為其實現(xiàn)了基于擠壓型材的大的均勻面板的制造。FSW工具通過摩擦以顯著低于熔化溫度的溫度將工件材料局部加熱到塑性化狀態(tài)。此外，工件連接在沒有添加任何填充材料的情況下完成。因此，連接的面板結構基本上沒有熱扭曲。此外，沒有來自于熔焊的熔化相關的以及填充物引起的缺陷使得具有焊接部優(yōu)越的機械特性和緊密性。消除了金屬間腐蝕的風險。轉動的工具留下了相對平滑的與工件表面平齊的焊接面。這導致在周期載荷下起裂需要更長的時間。顯然，需要實現(xiàn)用來焊接在焊接區(qū)處具有用于工具進入的有限空間的復雜結構擠壓型材的通用FSW工具，以及以可接受的生產(chǎn)率執(zhí)行的并獨立于工件的結構實現(xiàn)這些工件焊接的工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的一個目的是提供一種用于實現(xiàn)要被焊接在一起的兩個擠壓工件的有效連接的FSW工具，甚至是在它們之間具有狹窄的空間的情況下也是如此，其中具有用于所述工具的有限的入口。另一個目的是提供一種通過這種FSW工具連接工件的方法。另一個目的是提供一種在焊接后具有提高的強度參數(shù)的新產(chǎn)品、一種包括通過該方法連接的具有規(guī)則三角形橫截面形狀的兩個或更多個多孔中空擠壓件的焊接的雙層面板結構。獲得一種可以用于焊接同樣在具有復雜結構的工件中的所有接縫的工具是所需的，該復雜構造導致在焊接區(qū)的一側具有非常狹窄的空間。這是根據(jù)本發(fā)明通過提供一種非對稱的或者不平衡的FSW工具實現(xiàn)的，其具有不同大小的兩個肩部，并且配置成用于將要被焊接在一起的兩個擠壓工件有效連接，甚至在它們之間在焊接區(qū)中具有用于所述工具的有限入口的情況下也是如此，而對焊接區(qū)不使用外部支撐件來將塑性化材料保持在焊接區(qū)中。
[0015]本發(fā)明的工具因此是一種用于將兩個相鄰的工件連接在一起的攪拌摩擦焊接工具，這些工件包括要被焊接的部分并且在它們之間在一側上具有狹窄的空間，所述工具具有轉動軸線(R)，并且包括由其圓周界限定的第一肩部、由其圓周界限定的第二肩部以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷，其中所述第一肩部具有第一接觸表面用于在焊接期間對要被連接的工件產(chǎn)生摩擦熱，所述第一接觸表面具有基本垂直于所述轉動軸線(R)的第一接觸區(qū)域，所述第二肩部具有第二接觸表面用于對要被連接的所述工件的相同部分的相對表面產(chǎn)生摩擦熱，所述第二接觸表面具有基本垂直于所述轉動軸線(R)的第二接觸區(qū)域，所述第一和第二區(qū)域具有不同的尺寸，其中第一接觸區(qū)域是較大尺寸的區(qū)域，第二區(qū)域是較小尺寸的區(qū)域，較小尺寸的區(qū)域適于插入工件之間的狹窄空間中，從而與工件的一側接觸，與工件的相對側面接觸的較大尺寸的區(qū)域適于在轉動時從所述相對側面產(chǎn)生摩擦熱，該摩擦熱足以以適當?shù)纳a(chǎn)速度將貫穿工件整個厚度的工件材料塑性化。優(yōu)選地，至少其中一個接觸區(qū)域包括控制塑性化材料徑向運動的裝置，并將塑性化材料從肩部圓周界引向所述銷。
[0016]所述工具優(yōu)選地適于沿著彼此相鄰工件的焊接線以至少10mm/min的速度線性運動，并且還可以有利地適于以至少每分鐘10轉的速度轉動。
[0017]所述第二肩部的第二接觸表面的第二區(qū)域小于所述第一肩部的第一接觸表面的第一區(qū)域，所述第二區(qū)域優(yōu)選地地是所述第一區(qū)域的75%或更少，優(yōu)選50%或更少。有利地，垂直于所述轉動軸線(R)的這些肩部的每個接觸表面具有平的、凹入的或凸起形狀的軸向橫截面中的一種。銷橫截面優(yōu)選地在從一個肩部向另一個肩部的方向上減小，并且可以具有垂直于所述轉動軸線(R)的橫截面，所述橫截面是多邊形、圓形和橢圓形橫截面中的一種。所述銷和這些肩部可以制造成獨立的元件，或者所述銷和其中一個肩部可以制造成整體式部件。替代性地，所述銷和這些肩部制造成整體式部件。
[0018]本發(fā)明還涉及一種通過上述工具將兩個相鄰的工件連接在一起的方法，所述工件具有這樣一種結構，即在接縫的一側上，相比于接縫的相對側，在這些工件之間存在工具肩部要插入的更有限的空間或者在工具肩部要插入的接縫位置處具有較小的半徑(更狹窄的空間)。該方法包括以下步驟:
[0019]-組裝具有第一肩部、第二肩部以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷的所述工具，
[0020]-以預定速度啟動所述工具圍繞其轉動軸線(R)的轉動，
[0021]-將所述工具靠近兩個相鄰的工件對準，以便第一肩部位于這些工件的要被焊接的部分的第一表面的平面內(nèi)，第二肩部位于這些工件的這些部分的相對表面的平面內(nèi)，以及
[0022]-使所述工具的所述銷沿著這些工件的抵接部線性運動，同時使這些肩部與這些工件的這些部分的相應表面接觸，以便執(zhí)行焊接。
[0023]一種根據(jù)本發(fā)明通過上面提到的工具的將兩個相鄰的工件連接在一起的替代性方法，所述工件具有這樣的結構，即在接縫的一側上，相比于接縫的相對側，在這些工件之間存在工具肩部要插入的更有限的空間或者在工具肩部要插入的接縫位置處具有較小的半徑(更狹窄的空間)，該方法包括以下步驟:
[0024]-在這兩個工件的抵接部中鉆出孔用于容納所述工具的銷，
[0025]-將所述工具的所述銷穿過所述孔，
[0026]-組裝具有第一肩部、第二肩部以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷的所述工具，同時所述第一肩部位于這些工件的第一表面的平面內(nèi)，所述第二肩部位于這些工件的相對表面的平面內(nèi)，
[0027]-以預定速度啟動所述工具的轉動，以及
[0028]-使所述銷沿著所述抵接部線性運動，以便執(zhí)行焊接。
[0029]在上面的任一種方法中，這兩個工件可以是用于形成雙層面板的多孔中空擠壓件，其中每個中空擠壓型材包括由受限制的內(nèi)壁相互連接的第一和第二平坦部，如在垂直于擠壓成型方向的橫截面中看到的，該方法還包括以下步驟:
[0030]-將兩個擠壓型材彼此相鄰放置，使得每個型材的擠壓成型方向彼此平行，并且使得一個型材的一個平坦部和內(nèi)壁的相交部面對另一個型材的一個平坦部和內(nèi)壁的對應的相交部，使得在這些型材的受限的內(nèi)壁之間形成狹窄空間；
[0031]-通過使所述工具沿著擠壓成型方向縱向地運動通過所述狹窄空間來將這兩個型材的至少兩個第一平坦部連接，從而形成雙層面板。這些工件可以是多孔中空擠壓件，其包括連接平坦部的內(nèi)壁，這些內(nèi)壁以三角形結構布置，其中每個中空擠壓件包括彼此平行的第一和第二平坦部、垂直于所述平坦部的中央內(nèi)壁以及在中央內(nèi)壁的每側上的傾斜內(nèi)壁，由此通過這兩個傾斜內(nèi)壁和其中一個平坦表面形成等邊三角形。兩個第一平坦部和兩個第二平坦部的焊接優(yōu)選地同時進行。該工具可以向這些工件施加有限的豎向力，其中該豎向力至少100N。
[0032]本發(fā)明還涉及一種通過上面所述的一種或多種方法獲得的產(chǎn)品，該產(chǎn)品包括焊接在一起的至少兩個部分以便形成具有焊接面的焊縫，其中所述焊接面在焊接得到的產(chǎn)品的相對表面上具有不同的寬度。該產(chǎn)品可以是雙層面板結構，包括通過上面的方法連接的兩個或更多個擠壓型材，每個擠壓型材具有由內(nèi)壁相互連接的兩個相對的平坦部，其中雙層面板的平坦部的一個表面上的焊接面寬度比該面板的相同平坦部的相對表面上的焊接面寬度寬。由多個擠壓型材制造的具有提高的強度的雙層面板優(yōu)選地在垂直于擠壓成型方向的方向上具有規(guī)則的三角形橫截面，以便防止制造產(chǎn)生的彎曲載荷，從而虛擬載荷分布線在面板材料內(nèi)相交。
[0033]本發(fā)明還涉及用于兩個相鄰工件的攪拌摩擦焊接的上述工具的用途。這些工件優(yōu)選地是具有傾斜內(nèi)壁的金屬雙層甲板面板，所述傾斜內(nèi)壁在垂直于縱向方向的方向上具有規(guī)則的三角形橫截面，或者這些焊接的工件可以具有彎曲的焊接邊緣，該邊緣在一側上具有較小的半徑。
[0034]如上面指出的，所述工具優(yōu)選地通過控制材料從圓周界向所述銷的運動來將塑性化的材料保持在焊接區(qū)中。這可以通過在本領域中公知的不同方法獲得，例如通過在接觸表面上布置特殊的樣式。這種樣式優(yōu)選地是放射狀的或者部分是放射狀的并且還可以由溝槽、延伸部、潤旋部等構成。
[0035]該工具可以有利地用于例如多孔中空擠壓件的焊接，該擠壓件在傾斜相交壁之間具有規(guī)則的三角形橫截面形狀，從而由于由一個加大尺寸的肩部實現(xiàn)的較大的熱量輸入而以經(jīng)濟上合算的生產(chǎn)速度將產(chǎn)品提供為具有規(guī)則三角形橫截面的雙層面板、管狀產(chǎn)品、彎曲面板等。替代性地，還可以制造要被連接的具有不同橫截面形狀的其它彎曲表面。根據(jù)本發(fā)明的新面板基本具有與制造該新面板的可以通過FSW方法從兩側焊接的單個擠壓型材相同的特定強度-重量比，所述兩側提供了相同性能的焊縫。分發(fā)明提供了一種具有非對稱肩部的FSW工具，其中一個肩部大于另一個肩部。這種幾何形狀上的非對稱在至少一側上增加了對焊接區(qū)的熱量輸入,并因此將生產(chǎn)率增加到合理有利的值。同時,肩部接觸表面優(yōu)選地以將塑性化材料從肩部圓周界引導到其中心或者引導到所述銷的方式配置，以便將材料保持在肩部之間的焊接區(qū)中，從而防止材料由于處理載荷和/或重力從焊縫溢出直到其冷卻。這種效果可以通過不同的適當?shù)慕佑|表面結構、幾何形狀、樣式和形狀來實現(xiàn)。
[0036]較大尺寸的肩部允許靠近所述肩部有大的銷直徑,其與增加的熱量輸入結合顯著延長了工具的使用壽命。
[0037]本發(fā)明的工具允許同時或依次地從由擠壓鋁型材或者具有不同或復雜結構的其它元件制成的雙層面板或管的任一側和/或兩側進行焊接。該工具在連接具有用于工具到達焊接區(qū)的、位于工件之間的有限入口的工件時尤其有用(比如位于在構造的構件之間具有狹窄空間的具有規(guī)則三角形橫截面的多孔中空擠壓件的兩個傾斜內(nèi)壁之間)，或者在連接FSW焊縫或焊接區(qū)的位置處具有小半徑的彎曲工件時尤其有用。在這些情況下，對于傳統(tǒng)工具的肩部入口存在不足的空間，并因此對于焊接區(qū)將需要外部支撐元件。根據(jù)本發(fā)明的工具由于裝入要被焊接的工件之間的狹窄空間中的肩部的小尺寸從而消除了對外部支撐元件的需要，由于由第二工具肩部的較大尺寸產(chǎn)生增強的熱量輸入以便足以將焊接區(qū)中的材料塑性化，從而增加了生產(chǎn)率和盈利能力。該過程還可以優(yōu)選地通過控制塑性化材料從肩部周界向所述銷運動的肩部接觸表面的幾何形狀來提高，因此進一步提高了焊接質(zhì)量。
[0038]這些工件例如可以是抵接或搭接連接。應該注意的是通過本發(fā)明焊接在一起的兩個搭接工件具有基本避免腐蝕風險的優(yōu)點，因為焊縫將達到整個材料厚度，沒有留下可以聚集濕氣的間隙。抵接工件的連接導致其中沒有濕氣聚集的焊縫，減小了腐蝕的風險，還提供了最終產(chǎn)品的更好的載荷分布。本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具具有轉動軸線，并且包括由其圓周界限定的第一肩部、由其圓周界限定的第二肩部以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷。第一肩部具有在焊接期間用于在兩個要被連接的工件上產(chǎn)生摩擦熱的第一接觸表面，所述第一接觸表面具有基本垂直于所述轉動軸線的第一區(qū)域U1),所述第二肩部具有在要被連接的兩個工件的相對表面上產(chǎn)生摩擦熱的第二接觸表面。所述第二接觸表面具有基本垂直于所述銷的轉動軸線的第二區(qū)域(a2)。第一接觸表面和第二接觸表面具有不同的尺寸。因此，區(qū)域U1)和(a2)與所述銷(3) —起促成足以將整個焊接區(qū)的工件材料塑性化的摩擦熱，第一接觸表面(Al)和第二接觸表面(A2)中的至少一個布置成控制塑性化材料從所述肩部(1、2)的周界向所述銷(3)的運動。如上面討論的，至少其中一個接觸表面成型為其軸向橫截面形狀和/或其表面上的樣式將塑性化材料從肩部圓周界徑向地引向中心或者引向所述銷，從而將所述材料保持在焊接區(qū)中。該樣式例如可以包括自肩部圓周界徑向地直的布置的延伸部或溝槽或者以圓弧的形式布置，其一端靠近肩部圓周界，另一端靠近所述銷。還可以構想到其它樣式和形狀來實現(xiàn)塑性化材料朝向所述銷的運動。
[0039]較小接觸區(qū)域的肩部允許之間具有有限空間的兩個相鄰工件的連接，因為所述工具由于其小的尺寸可以插入到該有限空間中并且允許進行FSW焊接而不使用外部支撐件，并且由于由第二大接觸區(qū)域工具肩部提供的足夠的摩擦熱產(chǎn)生所以以合算的處理速度進行所述焊接。接觸表面Al和A2或者區(qū)域和a2的尺寸之間的合適比率將根據(jù)焊接的工件厚度、它們的材料和它們的幾何形狀而變化，但是應該選擇成保證足夠的摩擦熱產(chǎn)生以能夠?qū)⒄麄€焊接區(qū)的材料塑性化、將塑性化材料保持在焊縫區(qū)中以及適當?shù)暮附铀俣?即工具/銷沿著工件邊緣之間的焊接線的線性速度)。根據(jù)工件的形狀，較小肩部的接觸區(qū)域a2可以優(yōu)選地是較大肩部的接觸區(qū)域的75%或更小。在某些情況下，接觸區(qū)域a2可以是接觸區(qū)域B1的50%或更少，當較小肩部可用的空間極度小時，接觸區(qū)域a2可以是接觸區(qū)域B1的20%或更少。如上面討論的，工具的接觸表面A1、A2的特殊型材和/或這些表面上的放射狀或部分放射狀指向的樣式還可以便于將塑性化材料保持在焊接區(qū)中。這種布置控制塑性化材料從肩部圓周界向所述銷的運動，從而提供了將塑性化材料保持就位直到其冷卻。[0040]本發(fā)明還涉及一種通過所述FSW工具連接兩個相鄰工件的方法。該方法包括如下的步驟:組裝具有第一肩部、第二肩部和連接第一肩部和第二肩部的銷的所述工具；使所述工具以預定速度轉動；將所述工具靠近兩個抵接的工件對準，以便第一工具肩部位于這兩個工件的第一表面的平面內(nèi)，第二工具肩部位于這兩個工件的相對表面的平面內(nèi)；以及使所述銷沿著這兩個工件的抵接部線性運動，同時使這些肩部與這兩個工件的相應的相對表面接觸，以便通過由于肩部與工件表面之間的摩擦而將這些工件的接縫區(qū)域的材料加熱到塑性化狀態(tài)來實施焊接。另一個步驟可以包括在這些工件的抵接部上的進入凹口以便確保轉動銷在焊接過程開始時的正確位置。
[0041]本方法可以替代性地包括以下步驟:在這兩個工件的抵接部中鉆出孔用于容納所述工具的銷；將所述工具的所述銷(3)穿過所述孔；組裝具有第一肩部、第二肩部以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷的所述工具，同時所述第一肩部位于這些工件的第一表面的平面內(nèi)，所述第二肩部位于這些工件的相對表面的平面內(nèi)；以預定速度啟動所述工具的轉動；以及使所述銷沿著所述抵接部線性運動，以便執(zhí)行焊接。
[0042]本發(fā)明還涉及一種通過所述方法實現(xiàn)的諸如面板之類的產(chǎn)品，尤其是由擠壓型材制成的所謂雙層面板。此外，本發(fā)明涉及用于連接兩個抵接工件的所述攪拌摩擦工具的用途。本發(fā)明適用于不同材料(比如金屬和塑料)的攪拌摩擦焊接。
[0043]本發(fā)明的另一個方面是如上所述的攪拌摩擦焊接工具用于兩個抵接工件的攪拌摩擦焊接的用途，其中這些工件是兩個彎曲的或平坦的金屬面板，優(yōu)選地是雙層金屬面板或者具有要被焊接在一起的兩個相對邊緣的一個彎曲板材。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]現(xiàn)在將參照示意圖描述本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點，其中:
[0045]圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有一個放大肩部的非對稱或不平衡攪拌摩擦焊接工具以及說明一種攪拌摩擦焊接方法的、要被連接的多孔中空擠壓件的透視圖；
[0046]圖2是兩個多孔中空擠壓件的橫截面視圖，所述多孔中空擠壓件憑借焊接形成了根據(jù)本發(fā)明的雙層面板形式的產(chǎn)品；
[0047]圖3a是本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具的示意圖；
[0048]圖3b是圖3的攪拌摩擦焊接工具的分解視圖；
[0049]圖4是本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具的另一個實施方式的示意圖，其允許肩部位置關于彼此進行軸向調(diào)節(jié)，以用于不同厚度的工件和對所施加力的控制；
[0050]圖5示出了本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具的一個可行實施方式的三維視圖；
[0051]圖6是由本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具獲得的焊縫橫截面示意圖；
[0052]圖7-8示出了連接兩個抵接工件的方法的流程圖；
[0053]圖9、10示出了現(xiàn)有技術的平衡對稱攪拌摩擦焊接工具以及通過傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接工具連接兩個抵接工件的方法；
[0054]圖11示出了能夠通過使用根據(jù)本發(fā)明的FSW工具制造的、在至少一側上具有用于工具肩部的有限入口的不同種類的產(chǎn)品。
【具體實施方式】[0055]現(xiàn)在將參照附圖詳細描述本發(fā)明。不同實施方式的相應的元件具有相同的附圖標記。應該理解的是本發(fā)明的范圍并不局限于僅用于解釋目的的、如附圖中示出的實施方式。
[0056]圖中附圖標記表示:
[0057]I 第一肩部
[0058]2 第二肩部
[0059]3 銷
[0060]4 工件的第一部分6的第一表面
[0061]5 第一部分6的相對表面
[0062]6 工件的第一部分
[0063]7 工件的第二部分
[0064]8 傾斜內(nèi)壁
[0065]9 傾斜內(nèi)壁
[0066]10 工件
[0067]11 中央內(nèi)壁
[0068]15平坦部分6之間的焊縫
[0069]16平坦部分7之間的焊縫
[0070]17接縫15中的狹窄部
[0071]20 FSW 工具
[0072]圖1示出了兩個相鄰且抵接的中空擠壓型材10的橫截面視圖，它們通過根據(jù)本發(fā)明方法的攪拌摩擦焊接工具20連接。圖2示出了雙層面板形式的產(chǎn)品，其通過利用攪拌摩擦焊接工具20將兩個或更多個多孔擠壓型材焊接而獲得。應該指出的是盡管通過具有平坦上下層的多孔擠壓件闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明的FSW工具同樣可以用于連接具有平坦或彎曲形狀的型材、面板或具有任何設計的其它細節(jié)。在該描述中，關于連接兩個相同形狀的工件來描述本發(fā)明。然而，應該指出的是同樣可以良好地連接具有不同形狀的工件。為了簡化的目的，當在附圖中圖示時，相同的附圖標記用于表示要被連接的兩個細節(jié)。在圖3a和3b中示意性地示出了工具20。應該指出的是圖3a和3b中圖示的工具僅是本發(fā)明的FSW工具的示例，可以想到具有不同的傳統(tǒng)上公知的表面特征的工具各部件的各種其它設計。
[0073]本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具20包括銷3和在所述銷兩端上的第一和第二徑向延伸部，即所謂的肩部1、2，所述銷3關于其軸線(R)轉動，該軸線也是所述工具的轉動軸線(R)。第一肩部I具有第一接觸表面Al，第一接觸表面Al與在該實施方式中通過要在焊接期間連接的擠壓型材10形成的工件10的一個表面4接觸，該第一接觸表面Al具有基本垂直于所述轉動軸線R的第一區(qū)域％。所述第二肩部2具有第二接觸表面A2，所述第二接觸表面A2與要被連接的兩個工件的相反的表面5接觸，所述第二接觸表面A2具有基本垂直于所述轉動軸線R的第二區(qū)域a2。這些接觸表面Al和A2具有不同的接觸區(qū)域&1和&2。在圖1和圖3a_3b中示出的實施方式中，第二接觸表面區(qū)域a2小于第一接觸表面區(qū)域&1。因此，徑向尺寸r2小于徑向尺寸rl。應該理解的是該工具20可以在操作期間上下顛倒，那么接觸表面區(qū)域B1可以小于接觸表面區(qū)域a2。
[0074]第一肩部I和第二肩部2每個具有由于每個肩部接觸表面與兩個工件相對表面之間的摩擦而加熱接縫區(qū)域中的材料同時將塑性化材料保持在接縫區(qū)域中的功能。每個肩部的接觸表面Al、A2基本垂直于該工具的轉動軸線(R)，并且適于在焊接期間與要被連接的作為多孔中空擠壓件的兩個工件10的兩個平坦部分的兩個相鄰表面4以及相同平坦部分的相對表面5緊密接觸。這些接觸表面具有不同的接觸區(qū)域，即一個小于另一個，但是這些接觸表面在尺寸上仍然足以將塑性化材料保持在焊接區(qū)的位置中；這種具有不同接觸區(qū)域的設計允許該工具還可以用在要被連接的兩個工件之間(就像在上面提到的多孔中空延伸部的雙層面板中的兩個傾斜和相交內(nèi)壁之間)的接縫區(qū)域中或者要連接成管形狀的彎曲面板的接縫的區(qū)域中的有限空間內(nèi)。肩部的表面可以以特定的方式加工以提供特別的樣式，優(yōu)選地在徑向或部分徑向上，用于控制塑性化材料朝向所述銷的運動。替代性地，本身在本領域中公知的接觸表面的其它形式和形狀(例如凹形、凸形/凹形等等)可以便于材料運動。
[0075]因為接觸區(qū)域&1和&2具有不同的尺寸，所以由所述工具施加到焊接的工件的連接部分的相對兩側的載荷也是不同的。所述載荷優(yōu)選地通過擠壓以及通過根據(jù)確定算法施加的外部支撐而平衡。特別地，第二肩部的第二接觸表面的第二區(qū)域a2可以小于第一肩部的第一接觸表面的第一區(qū)域B1，所述第二區(qū)域a2是所述第一區(qū)域的75%或更少。優(yōu)選地，第一接觸區(qū)域B1和第二接觸區(qū)域&2的關系是通過提供直徑比第一肩部I更小的第二肩部2獲得的。因為第二區(qū)域a2顯著小于第一區(qū)域，所以可以連接其中在工件10的一側(表面5)上具有非常有限空間的兩個抵接工件。例如，在將多孔擠壓件連接成雙層面板的情況下，為了改進載荷分布，理想三角形的內(nèi)壁8、9、10或祐1架是所需的,能夠使載荷向量在雙層面板本體內(nèi)相交以便結構有更好的強度。徑向尺寸，即從銷外表面到第二肩部的第二接觸表面的外邊緣的距離，可以至少1.5mm,優(yōu)選地2-50mm,更優(yōu)選地10-30mm,最優(yōu)選地15_25mm。這些尺寸對于15mm到20mm的焊縫厚度是有利的。銷3的長度可以寬范圍地變化并且取決于要被焊接的工件10、10’的厚度。圖3a和3b中示出的銷3在轉動方向上具有圓錐形狀，但是替代性地在轉動方向上可以具有圓柱或具有另一種形狀，銷的表面可以是平滑的或者加工有切口、溝槽、螺紋和本領域中其它公知的有利樣式。
[0076]圖3a和3b中示出的工具具有垂直于工具轉動軸線R的矩形、圓形或多邊形橫截面。然而，肩部1、2的每個接觸表面Al、A2可以具有垂直于工具轉動軸線R的平坦的、錐形的、凹入或凸起形狀的橫截面。凸起的肩部可以在以小公差焊接工件時提供改進的結果。肩部的接觸表面可以是平滑的或者無特征的或者可以加工并包括像渦旋部、脊、螺紋、溝槽或余量之類的特征。這些特征提高了工件10材料變形、熱輸入和材料混合。渦旋部便于材料約束并且總體提高了工具周圍的材料流動以及材料混合。垂直于工具轉動軸線R的肩部橫截面形狀以及肩部的任何接觸表面可以與如上面所述的銷的任何形狀結合。第一接觸表面與第二接觸表面之間的距離適于要被焊接的工件的厚度(即，如圖4中示出的)，并且優(yōu)選地至少3mm或者更大。
[0077]銷3的橫截面可以在從一個肩部向另一個肩部的方向上減小。換言之，所述銷可以在從一個肩部向另一個肩部的方向上逐漸變細。因此，可以減小焊接所需的力和扭矩。所述銷3還可以具有垂直于轉動軸線的橫截面，該橫截面是多邊形、圓形和橢圓形橫截面中的一種。圖3b中示出的工具具有均作為單獨元件制造的銷3和肩部1、2，它們被組裝成所述工具20，即所述銷3可釋放地附接到第一肩部和第二肩部。然而，替代性地，所述銷3和其中一個肩部可以制造成一個部件。那么具有第二肩部的所述銷3上的位置可以關于第一肩部被調(diào)節(jié)成使得所述銷3的長度將等于要被焊接的材料的厚度。替代性地，固定到第一肩部的所述銷3可以通過螺紋連接穿過第二肩部，該第二肩部然后將固定到所述銷3，見圖
4。此外，至少其中一個肩部1、2可以制造為獨立的元件，其通過焊接或以其它適當?shù)姆绞讲豢舍尫诺馗浇拥剿鲣N，或者作為又一種替代方式，所述銷3和兩個肩部1、2制造成一個部件。組裝該工具的這些替代性方式可以用在任何上述工具設計上。
[0078]如1-2中示出的多孔中空擠壓件或工件10包括第一平坦部6和第二相對的平坦部7，以及將平坦部6、7相互連接的內(nèi)壁8、9、11，在垂直于擠壓成型方向的橫截面上看這些內(nèi)壁8、9、11以三角結構布置。中央的內(nèi)壁11垂直于平坦部6、7，傾斜內(nèi)壁8、9布置在中央內(nèi)壁11的每側上，以形成具有其中一個平坦表面6、7的等邊三角形。如上面指出的，可以通過本發(fā)明的工具可以連接任何其它型材設計。
[0079]通過根據(jù)本發(fā)明的上述工具20連接兩個抵接工件10的方法可以包括如下步驟。首先由所述銷3和肩部1、2組裝該工具。將這些工件的要被連接的表面放置成抵接關系。然后以預定轉動速度啟動該工具20的轉動。將該工具20靠近這兩個抵接工件10對準以便將第一肩部I放置在工件10的第一表面4的平面內(nèi)，并將第二肩部2放置在工件10的相對表面5的平面內(nèi)，然后使所述工具沿著工件10的抵接部線性運動，同時使所述工具肩部1、2與兩工件10的相應表面4、4’和5緊密接觸以便形成焊縫15。通過該工具20的攪拌摩擦焊接方法的又一個步驟可以包括在這兩個工件10的抵接部的邊緣處做出進入凹口以便在焊接過程開始時便于轉動工具的進入。
[0080]如果使用具有至少一個可釋放肩部I或2的焊接工具20，該方法可以替代性地包括以下步驟:在這兩個工件10、10’的抵接部中鉆出孔以便容納該工具20的銷3、使該工具的所述銷3穿過該孔、通過使可釋放的肩部關于另一個肩部運動來調(diào)節(jié)所述銷3的長度以等于平坦部4材料厚度以及通過將可釋放的肩部固定到所述銷3而組裝包括第一肩部I和第二肩部2的工具20，同時將第一肩部I放置在這兩個工件10的平坦部6的第一表面4的平面內(nèi)，并將第二肩部2放置在工件10的相同平坦部6的相對表面5的平面內(nèi)。然后以預定速度啟動工具20的轉動，并且使該工具20沿著工件10的相鄰邊緣線性運動以便執(zhí)行焊接并形成焊縫15。
[0081]類似地或同時地，可以焊接相同工件(擠壓型材)的另外的相對平坦部7從而形成焊縫16，并因此獲得擠壓型材的雙層面板。
[0082]該工具20有利地以100-3000轉/min的速度轉動，并且以50-2000mm/min的速度
沿著這兩個工件的抵接邊緣線性運動。工具20 —般向焊接的工件施加有限豎向力用于平衡由工具的不同接觸區(qū)域B1和&2向工件10施加的力，該豎向力一般至少100N。工具20優(yōu)選地由在處理溫度的整個范圍內(nèi)具有非常良好的強度、斷裂韌度、尺寸穩(wěn)定性和抗磨損性的材料制成。工具材料需要是可合理加工的，并且表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性和化學穩(wěn)定性，包括在需要的溫度范圍內(nèi)抵抗工件材料中存在的元素的穩(wěn)定性。
[0083]本發(fā)明的方法對于連接由金屬(更特別地是鋁及其合金)制成的工件或多孔中空擠壓件尤其有用。本發(fā)明的工具和方法適于諸如塑料和復合物之類的其它材料。
[0084]如圖1和2所示，這兩個相鄰工件10、10’可以是多孔中空擠壓件，例如用于形成雙層面板，其中每個擠壓型材包括由如在垂直于擠壓成型方向的橫截面上看到的受限內(nèi)壁相互連接的第一和第二平坦部。這種面板的制造方法包括以下步驟:將兩個擠壓型材或多孔擠壓件彼此靠近放置，使得每個型材或擠壓件的擠壓成型方向彼此平行，并使得一個型材10的一個平坦部和傾斜內(nèi)壁的相交部面對另一個型材10的一個平坦部6和傾斜內(nèi)壁的對應的相交部，使得在這些型材或擠壓件10的受限的傾斜內(nèi)壁之間形成狹窄空間；以及通過使該工具20沿著擠壓成型方向縱向地運動穿過所述狹窄空間而將兩個型材10的至少兩個平坦部6，6’連接，從而形成雙層面板(其中層的意思是外平坦部6)。有利地，中空擠壓型材的兩層6由工具20通過使工具的銷3沿著擠壓成型方向縱向地運動而連接。第一兩平坦部(層)6和第二兩平坦部(層)7的焊接優(yōu)選地通過根據(jù)本發(fā)明的兩個相同工具20同時執(zhí)行。替代性地，平坦部或?qū)?和7可以通過相同工具20 —個接一個地焊接。
[0085]特別地，多孔中空擠壓件可以具有連接平坦部6、7的內(nèi)壁8、9，橫截面垂直于擠壓成型方向的內(nèi)壁8、9以三角結構布置。因此，每個擠壓件10可以包括彼此平行的第一和第二平坦部6、7、垂直于所述平坦部的中央內(nèi)壁11、以及在中央內(nèi)壁11的每側上的傾斜內(nèi)壁
8、9，由此通過兩個傾斜內(nèi)壁8、9和其中一個平坦部6或7形成等邊三角形。這些擠壓件可以根據(jù)本發(fā)明連接到由多孔中空擠壓件或“雙層面板”制成的面板。替代性地，垂直的中央壁11可以省略，雙層型材10可以僅包括傾斜內(nèi)壁8、9。這些面板可以用于例如橋梁或船甲板結構的構造中。為了在這種雙層面板中獲得高強度，通常希望提供一種其中一個型材10的傾斜內(nèi)壁8也與相鄰中空擠壓型材10’的傾斜內(nèi)壁9形成等邊三角形。這用之前可用的傳統(tǒng)攪拌焊接工具是不可能實現(xiàn)的。相反，需要包括各種支撐構件作為中空擠壓型材內(nèi)的豎直內(nèi)壁，如在圖9和10中示出的，或者替代性地在焊縫15下使用一般會損害焊接質(zhì)量和產(chǎn)量的可移除支撐構件。
[0086]本發(fā)明還涉及一種通過本發(fā)明的工具20按照上述方法獲得的新產(chǎn)品，其允許由具有簡單形狀和較輕質(zhì)量的擠壓工件制造面板，從而在相同強度需要下減小所需金屬的量。
[0087]替代性地，在圖11中示出了其它產(chǎn)品示例，比如由彎曲板材或片材制造的管狀細節(jié)，或者這些方法可以制造諸如空氣或水冷卻器之類的其它產(chǎn)品。如上面指出的，該產(chǎn)品優(yōu)選地是包括由上述方法連接的兩個或更多個多孔中空擠壓件的雙層面板結構。每個擠壓型材包括兩個平坦部和相互連接的內(nèi)壁，其中面板的一個平坦部的一個表面上的焊接面寬度比型材的相同平坦部的相對表面上的焊接面寬度寬。該產(chǎn)品可以是由多個多孔中空擠壓件制成的面板，例如用作船舶中的甲板構件或者橋梁結構，包括利用上述方法縱向連接的兩個或更多個中空擠壓型材。
[0088]工具20的轉動的肩部1、2在由該工具連接的各型材部分的表面4和5上留下標記，這些標記稱作接縫15的焊接面15’、15”。該產(chǎn)品包括至少兩個部分6，它們焊接在一起以形成具有焊接面的接縫15，其中在橫截面中看到的焊接面在焊接的產(chǎn)品的相對表面上具有不同的寬度。因為如上所述的工具的第二接觸區(qū)域％小于第一接觸區(qū)域ai，焊接面寬度將具有不同的尺寸。因此獲得的面板的兩個部分之間的接縫15由于工具20的設計具有特別的外形，如圖6中所示，并且在較大肩部接觸區(qū)域的區(qū)域中比在相對的較小肩部接觸區(qū)域a2的區(qū)域中的寬，并且在它們之間具有變窄部。面板之間的接縫15在較大肩部接觸區(qū)域的區(qū)域中朝向表面4的寬度比在相對的較小肩部接觸區(qū)域的區(qū)域中朝向表面5的寬度寬，并且在它們之間具有變窄部。
[0089]圖5示出了本發(fā)明的攪拌摩擦焊接工具的一種替代性設計，其中所述銷具有一組上凹槽、一組下凹槽和一組中間凹槽。替代性地，可以在工具的肩部和/或所述銷上設置溝槽或其它加工樣式。
[0090]圖7示出了連接兩個抵接工件的方法的流程圖，包括以下步驟:組裝100工具；啟動110工具的轉動；靠近兩個抵接工件對準120工具，可以調(diào)節(jié)肩部之間的距離；沿著工件的抵接部使工具線性運動130。進一步的步驟可以在工件的抵接部處包括進入凹口以便確保在焊接過程開始時轉動銷的正確位置。
[0091]圖8示出了連接兩個抵接工件的方法的流程圖，包括以下步驟:在兩個工件的抵接部中鉆出200孔，用于容納210該工件的銷；使工具的所述銷穿過所述孔，組裝220所述工具(第一肩部I和第二肩部2以及連接銷3)，同時調(diào)整第一與第二肩部之間的距離，啟動230工具的轉動，并使所述銷沿著抵接部線性運動240，以便執(zhí)行焊接。
[0092]圖9和10示出了如上面提到的連接兩個抵接工件的現(xiàn)有技術方法。如可以看出的，另外的垂直內(nèi)壁靠近焊縫(圖9)使用，并且加寬它們之間的空間以適應傳統(tǒng)的平衡對稱FSff工具，或者作為延伸部的支撐結構結合在其中一個工件中(圖10)。
[0093]圖11示出了可以通過本發(fā)明的工具連接的替代性型材設計。該型材例如是多孔擠壓件；管形細節(jié)；在一側處具有用于工具的有限入口的不同型材；空心元件；以及用在各種【技術領域】中和用于各種應用的諸如面板、建筑物、冷卻器等之類的不同產(chǎn)品。
[0094]應該指出的是本發(fā)明不應該由上述實施方式限制，而是應該包括落入權利要求范圍內(nèi)的任何替代方式。
【權利要求】
1.用于連接兩個相鄰的工件(10)的攪拌摩擦焊接工具(20)，所述兩個相鄰的工件包括要被焊接的部分(6)，并且在一側上在這些工件之間具有狹窄空間，所述工具(20)具有轉動軸線(R)，并且包括: -第一肩部(I)，該第一肩部由第一肩部的圓周界限定， -第二肩部(2)，該第二肩部由第二肩部的圓周界限定，以及 -布置成連接第一肩部(I)和第二肩部(2)的銷(3),其中所述第一肩部(I)具有用于在焊接期間對要被連接的工件(10)產(chǎn)生摩擦熱的第一接觸表面(Al)，所述第一接觸表面(Al)具有基本垂直于所述轉動軸線(R)的第一接觸區(qū)域U1),以及 所述第二肩部(2)具有用于對要被連接的所述工件(10)的相同的所述部分(6)的相對表面(5)產(chǎn)生摩擦熱的第二接觸表面(A2)，所述第二接觸表面(A2)具有基本垂直于所述轉動軸線(R)的第二接觸區(qū)域(a2)，所述第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域(a1、a2)具有不同的尺寸，其中第一接觸區(qū)域U1)是較大尺寸的區(qū)域，第二接觸區(qū)域(a2)是較小尺寸的區(qū)域， 其特征在于，較小尺寸的第二接觸區(qū)域(a2)適于插入所述工件(10)之間的狹窄空間中，并因此與工件的一側接觸，與工件的相對側接觸的較大尺寸的第一接觸區(qū)域(?)適于在轉動時從所述相對側產(chǎn)生摩擦熱，該摩擦熱足以以適當?shù)纳a(chǎn)速度將貫穿工件整個厚度的工件(10)材料塑性化。
2.根據(jù)權利要求1所述的工具，其中所述第一接觸區(qū)域U1)和第二接觸區(qū)域(a2)中的至少一個包括控制塑性化材 料徑向運動的控制裝置，該控制裝置將塑性化材料從肩部(1、2)圓周界朝向所述銷(3)引導。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的工具，所述工具適于沿著彼此相鄰的工件(10)的焊接線以至少10mm/min的速度線性運動。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的工具，所述工具適于以至少每分鐘10轉的速度轉動(10)。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中第二肩部(2)的第二接觸表面(A2)的第二接觸區(qū)域(a2)小于第一肩部(I)的第一接觸表面(Al)的第一接觸區(qū)域U1)，所述第二接觸區(qū)域(a2)是所述第一接觸區(qū)域U1)的75%或更少，優(yōu)選50%或更少。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中第一肩部和第二肩部(1、2)的垂直于轉動軸線(R)的接觸表面(Al、A2)中的每個的軸向橫截面是平坦的、凹入的或凸起的形狀中的一種。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中所述銷(3)橫截面沿著從一個肩部向另一個肩部的方向而減小。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中所述銷(3)具有垂直于轉動軸線(R)的橫截面，該橫截面是多邊形、圓形和橢圓形橫截面中的一種。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中所述銷(3)與第一和第二肩部(1、2)制造成獨立的元件。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中第一和第二肩部(1、2)之一與所述銷(3)制造成整體式部件。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的工具(20)，其中所述銷(3)與第一和第二肩部(1、2)制造成整體式部件。
12.一種利用前述權利要求中任一項所述的工具(20)將兩個相鄰的工件(10)連接在一起的方法，所述工件構造成:相比于焊縫的相對側，在焊縫的一側上在這些工件之間存在用于插入工具肩部的更有限的空間，該方法包括以下步驟: -組裝具有第一肩部(I)、第二肩部(2)以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷(3)的所述工具(20)， -以預定速度啟動所述工具(20)繞其轉動軸線(R)的轉動， -將所述工具(20)靠近兩個抵接的工件(10)對準，以便第一肩部(I)位于這些工件(10)的要被焊接的部分(6)的第一表面(4)的平面內(nèi)，第二肩部(2)位于這些工件(10)的要被焊接的部分(6)的相對表面(5)的平面內(nèi)，以及 -使所述工具(20 )的所述銷(3 )沿著這些工件(10 )的抵接部線性運動，同時使第一肩部和第二肩部(1、2 )與這些工件的所述部分(6 )的相應表面(4，5 )接觸，以便執(zhí)行焊接。
13.一種利用如權利要求1-11中任一項所述的工具(20)將兩個相鄰的工件(10)連接在一起的方法，所述工件構造成:相比于焊縫的相對側，在焊縫的一側上在這些工件之間存在用于插入工具肩部的更有限的空間，該方法包括以下步驟: -在這兩個工件的抵接部中鉆出孔，用于容納所述工具的銷(3)， -將所述工具(20)的所述銷(3)穿過所述孔， -組裝具有第一肩部(I)、第二肩部(2)以及布置成連接第一肩部和第二肩部的銷(3)的所述工具(20)，同時所述第一肩部(I)位于工件的第一表面(4)的平面內(nèi)，所述第二肩部(2)位于工件的相對表面(5)的平面內(nèi)， -以預定速度啟動所述工具(20)的轉動，以及 -使所述銷(3)沿著所述抵接部線性運動，以便執(zhí)行焊接。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的方法，兩個抵接的工件(10)是用于形成雙層面板的多孔中空擠壓件，其中每個中空擠壓件型材(10)包括在垂直于擠壓成型方向的橫截面中看到的、通過受限的內(nèi)壁(8、9、11)相互連接的第一平坦部和第二平坦部(6、7)，該方法還包括以下步驟: -將兩個擠壓型材(10)彼此相鄰放置，使得每個型材的擠壓成型方向彼此平行，并且使得一個型材(10)的一個平坦部(6)和內(nèi)壁(8)的相交部面對另一個型材(10)的一個平坦部(6)和內(nèi)壁(9)的對應的相交部，使得在這些型材(10)的受限的內(nèi)壁(8、9)之間形成狹窄空間； -通過使權利要求1-11中所述的工具(20)沿著擠壓成型方向縱向地運動通過所述狹窄空間來將這兩個型材(10)的至少兩個第一平坦部(6)連接，從而形成雙層面板。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述工件(10)是多孔中空擠壓件，所述多孔中空擠壓件包括連接第一平坦部和第二平坦部(6、7)的內(nèi)壁(8、9、11)，這些內(nèi)壁(8、9、11)以三角形結構布置，其中每個中空擠壓件包括彼此平行的第一平坦部(6)和第二平坦部(7)、垂直于所述第一平坦部和第二平坦部(6、7)的中央內(nèi)壁(11)以及位于中央內(nèi)壁(11)的每側上的傾斜內(nèi)壁(8、9 )，由此通過平坦表面(6、7 )之一與這兩個傾斜內(nèi)壁(8、9 )形成等邊三角形。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中同時進行兩個第一平坦部(6)和兩個第二平坦部(7)的焊接。
17.根據(jù)權利要求12-16中任一項所述的方法，其中該工具(20)向這些工件(10、10’)施加有限的豎向力，其中該豎向力為至少100N。
18.—種通過權利要求12-17中任一項所述的方法獲得的產(chǎn)品，包括焊接在一起的至少兩個部分(6)以便形成具有焊接面(15’，15”)的焊縫，其特征在于，所述焊接面(15’，15”)在焊接得到的產(chǎn)品的相對表面(4，5)上具有不同的寬度。
19.根據(jù)權利要求18所述的產(chǎn)品，其中該產(chǎn)品是雙層面板結構，包括通過權利要求13-19所述的方法連接的兩個或更多個擠壓型材，每個擠壓型材具有由內(nèi)壁(8、9、11)相互連接的兩個相對的平坦部(6、7)，其中雙層面板的平坦部的一個表面上的焊接面(15’)的寬度比該面板的相同平坦部的相對表面上的焊接面(15”)寬度寬。
20.根據(jù)權利要求19所述的產(chǎn)品，其中由多個擠壓型材制造的具有提高的強度的雙層面板在垂直于擠壓成型方向的方向上具有規(guī)則的三角形橫截面，制造出的面板使得虛擬載荷分布線在面板材料內(nèi)相交，從而防止了彎曲載荷。
21.根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的工具(20)用于兩個相鄰的工件(10)的攪拌摩擦焊接的用途。
22.根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的工具(20)的用途，其中這些工件(10)是具有傾斜內(nèi)壁的金屬雙層甲板面板，所述金屬雙層甲板面板具有垂直于縱向方向的規(guī)則的三角形橫截面。
23.根據(jù)權利要求1-11中任一項所述的工具(20)的用途，其中焊接的工件具有彎曲的焊接邊緣，該彎曲的焊接邊緣在一側上具有較小的半徑。
【文檔編號】B23K20/12GK104023896SQ201280030327
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年6月19日 優(yōu)先權日:2011年6月22日
【發(fā)明者】W·奧西科維克茨 申請人:薩帕有限公司