用于搅拌摩擦焊的方法和装置相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时申请No.60/376758的优选权，该美国临时申请
No.60/376758的申请日为2002年4月29日。
技术领域
本发明涉及摩擦焊，尤其是涉及在搅拌摩擦焊过程中对焊接接头的
支承。
背景技术
搅拌摩擦焊是相对较新的方法，它使用旋转工具来连接固态的两个
工件，或者修补在单个工件中的裂纹，该旋转工具包括安装在凹形肩部
上的螺纹销或探头。例如，在授予Thomas等的美国专利No.5460317中
公开了这样一种方法，该文献的内容整个被本文参引。如图1A所示，在
搅拌摩擦焊过程中，旋转工具12的探头10通过搅拌摩擦焊机器(未示
出)而插入一个工件内或两个工件14之间，以便产生所需的阻力，从而
产生足以形成塑化材料区域的摩擦热。如图1B所示，工具12通常相对
于工件14倾斜大约3°，这样，凹形肩部16的后缘推入塑化材料中并使
该塑化材料固定。当塑化材料固化时，工件14沿焊接接头18被连接起
来。由搅拌摩擦焊工具12施加的力量值必须保持高于规定的最小值，以
便产生所需的摩擦热。
为了防止工件由于搅拌摩擦焊工具12施加的力而变形并保持尺寸
工差，工件14必须具有在焊接接头下面的支承件15。另外，因为由焊接
工具产生的摩擦热使得焊接接头内的材料塑化，因此必须对该塑化材料
进行约束，以防止该材料流出焊接接头，还必须固定该塑化材料，以便
使孔隙度最小，并使焊接接头具有合适的表面光洁度。当对相对扁平工
件进行搅拌摩擦焊时，焊接接头可以由位于要连接的工件的下面的连续
平表面(例如钢板)来支承。
当对较大工件或者具有弯曲几何形状的工件进行搅拌摩擦焊时，对
焊接接头提供足够支承将成为问题，因为所需支承材料的量和/或该弯曲
几何形状将使得提供连续支承表面更困难和更昂贵。当制造军用和民用
飞机以及火箭燃料箱时通常需要该焊接。在某些情况下，在搅拌摩擦焊
之前，通常称为“工具化(tooling)”的组装(built-up)结构可以固
定在工件的内表面上。不过，重量限制和/或设计参数通常需要使最终的
组件有光滑内表面。因此，该工具化的组装结构必须例如通过机械加工
除去，这将消耗时间和延长劳动，并增加了最终组件的制造成本。
在连接的工件由具有不同材料特性(例如固相线温度、硬度和/或导
热率)的不同材料形成时，搅拌摩擦焊将遇到另一问题。特定合金的“固
相线”温度是这样的温度，即，当低于该温度时只有固相稳定。这些不
同材料特性可能需要使搅拌摩擦焊工具在各个工件内以不同转速旋转和
/或使工具以不同的速度通过工件前进，这可能使搅拌摩擦焊处理复杂，
并可能限制了可以连接的材料类型。例如，当具有不同固相线温度的工
件进行搅拌摩擦焊时，搅拌摩擦焊工具将首先使具有较低固相线温度的
工件塑化，这样，具有更高固相线温度的工件可能并不象形成坚固焊接
接头所需那样进行充分塑化以便与另一工件混合。
因此，需要一种改进的搅拌摩擦焊工具，以便在较大工件或者具有
弯曲几何形状的工件之间形成焊接接头。该工具在搅拌摩擦焊过程中能
够有效支承焊接接头和将该塑化材料约束在焊接接头内，且该工具应当
很容易适应变化的工件几何形状和尺寸。此外，该工具应当能够用于具
有不同材料性质的搅拌摩擦焊工件。
发明内容
本发明提供了一种用于在工件中形成搅拌摩擦焊接头的工具。根据
本发明的一个实施例，该工具包括可旋转的销，该销具有第一端和第二
端，并确定了在它们之间的搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件摩擦接
合，以便至少部分地形成搅拌摩擦焊接头。该工具包括可旋转的第一肩
部，该第一肩部确定了穿过该第一肩部的孔，该孔构造成可滑动地接收
销的第一端。该工具还包括第二肩部，该第二肩部确定了孔，该孔构造
成接收销的第二端，这样，该销在第一和第二肩部之间延伸，且第二肩
部与该销可旋转地连接。该第一肩部构造成独立于销和第二肩部旋转。
在一个实施例中，第一和第二肩部构造成在搅拌摩擦焊过程中相对支承
工件。在另一实施例中，第二肩部确定了多个肋，用于从焊接接头向外
传热。
根据本发明的另一实施例，工具包括可旋转的销，该销具有第一端
和第二端，并确定了在它们之间的搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件
摩擦接合，以便至少部分地形成搅拌摩擦焊接头。该工具包括可旋转的
第一肩部，该第一肩部确定了穿过该第一肩部的孔，该孔构造成可滑动
地接收销的第一端。该工具还包括第二肩部，该第二肩部确定了孔，该
孔构造成接收销的第二端，这样，该销在第一和第二肩部之间延伸，且
第二肩部与该销可旋转地连接。第一和第二肩部中的至少一个具有确定
了至少一个凸出部分的表面，该凸出部分构造成与工件摩擦接合，以便
至少部分地形成搅拌摩擦焊接头。第一和第二肩部构造成在搅拌摩擦焊
过程中相对支承工件。在一个实施例中，第一肩部构造成独立于销和第
二肩部旋转。在另一实施例中，第二肩部确定了多个肋，用于从焊接接
头向外传热。
根据本发明的另一实施例，工具包括可旋转的销，该销具有第一端
和第二端，并确定了在它们之间的搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件
摩擦接合，以便至少部分地形成搅拌摩擦焊接头。该工具包括可旋转的
第一肩部，该第一肩部确定了穿过该第一部分的孔，该孔构造成可滑动
地接收销的第一端。该工具还包括第二肩部，该第二肩部确定了孔，该
孔构造成接收销的第二端，这样，该销在第一和第二肩部之间延伸，且
第二肩部与该销可旋转地连接。第二肩部确定了多个肋，用于从焊接接
头向外传热。在一个实施例中，第一和第二肩部构造成在搅拌摩擦焊过
程中相对支承工件。在另一实施例中，第一肩部构造成独立于销和第二
肩部旋转。
销的搅拌部分包括各种结构。例如，在一个实施例中，销的搅拌部
分确定了至少一个平表面。在另一实施例中，销的搅拌部分确定了至少
一个螺纹表面和至少一个平表面。在还一实施例中，销的搅拌部分包括
具有沿第一方向的螺纹的第一螺纹表面以及具有沿第二方向的螺纹的第
二螺纹表面，其中，所述第一方向与第二方向不同。
第一和第二肩部分别具有构造成与工件摩擦接合的表面，从而至少
部分地形成搅拌摩擦焊接头。例如，在一个实施例中，第一和第二肩部
的至少一个表面具有螺纹。在另一实施例中，至少一个表面为凸形。在
还一实施例中，至少一个表面为凹形。在还一实施例中，至少一个表面
确定了至少一个凸出部分，该凸出部分构造成与工件摩擦接合。
销可以以各种不同方式与第二肩部连接。例如，在一个实施例中，
销的第二端的至少一部分具有螺纹。同样。第二肩部的孔的至少一部分
具有螺纹，以便能够通过螺纹接收该销的第二端。在另一实施例中，销
的第二端具有多边形结构，第二肩部的孔具有与销的第二端的结构相对
应的多边形结构。
本发明还提供了一种用于在工件中形成搅拌摩擦焊接头的装置。根
据一个实施例，该装置包括具有心轴的机器，该心轴确定了可旋转的内
部部分和可旋转的外部部分。该装置包括搅拌摩擦焊工具。在一个实施
例中，该搅拌摩擦焊工具包括销，该销具有第一端和第二端，并确定了
在它们之间的搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件摩擦接合，以便至少
部分地形成搅拌摩擦焊接头。该销的第一端与心轴的内部部分可旋转地
连接。该搅拌摩擦焊工具包括第一肩部，该第一肩部确定了穿过该第一
肩部的孔，该孔构造成可滑动地接收销的第一端。该第一肩部与心轴的
外部部分可旋转地连接。该搅拌摩擦焊工具还包括第二肩部，该第二肩
部确定了孔，该孔构造成接收销的第二端，这样，该销在第一和第二肩
部之间延伸，且第二肩部与该销可旋转地连接。该第一肩部构造成独立
于销和第二肩部旋转。如上所述，搅拌摩擦焊工具以及第一和第二肩部
可以有多种变化形式。
本发明还提供了对工件进行搅拌摩擦焊的方法。根据本发明的一个
实施例，该方法包括将第一和第二肩部定位成邻近工件。该第一和第二
肩部分别具有构造成与工件摩擦接合的表面。使销与第一和第二肩部连
接，以便使销在它们之间延伸。该销确定了搅拌部分，该搅拌部分构造
成与工件摩擦接合。然后，使第一肩部以第一角速度旋转，并使销和第
二肩部以不同于第一角速度的第二角速度旋转，从而使销、第一肩部和
第二肩部中的每个的至少一部分与工件摩擦接合，从而形成搅拌摩擦焊
接头。销的搅拌部分可以沿预定路径通过工件运动。
根据本发明另一实施例，该方法包括将第一和第二肩部定位成邻近
工件。该第一和第二肩部分别具有构造成与工件摩擦接合的表面。使销
与第一和第二肩部连接，以便使销在它们之间延伸。该销确定了搅拌部
分，该搅拌部分构造成与工件摩擦接合。使第一肩部旋转。在该第一旋
转步骤的同时，使销和第二肩部独立于第一肩部旋转，从而使销、第一
肩部和第二肩部中的每个的至少一部分与工件摩擦接合，从而形成搅拌
摩擦焊接头。例如，第一和第二旋转步骤可以包括使第一肩部以第一角
速度旋转，并使销和第二肩部以第二角速度旋转，其中，该第二角速度
与第一角速度不同。这里使用的“角速度”包括速度分量和方向分量。
对于遵循“右手定律”的运动(即逆时针方向运动)，方向分量为正，对
于沿相反方向的运动(即顺时针方向运动)，方向分量为负。销的搅拌部
分可以沿预定路径通过工件运动。
使销与第一和第二肩部连接的方法可以变化。在一个实施例中，连
接步骤包括使销的端部滑过第一肩部中的孔。然后，连接步骤可以包括
使销的端部螺纹连接到由第二肩部确定的螺纹孔内。在另一实施例中，
连接步骤包括在工件中钻孔。销的端部滑过第一肩部中的孔。然后，使
销的端部通过工件中的孔插入，并与第二肩部连接。
第一和第二肩部的相对位置可以改变，以便调节由该肩部施加在工
件上的力。例如，在一个实施例中，将销压向第一肩部，以便将第二肩
部压向第一肩部。在另一实施例中，将第一肩部压向第二肩部。
本发明还提供了由旋转的搅拌摩擦焊工具形成的搅拌摩擦焊搭接接
头。该搭接接头包括第一结构部件和第二结构部件。该第二结构部件至
少部分与第一结构部件交叠，以便确定在它们之间的交界面。搭接接头
包括搅拌摩擦焊接头，该搅拌摩擦焊接头在交界面处至少部分连接第一
和第二结构部件。搅拌摩擦焊接头确定了第一和第二部分。搅拌摩擦焊
接头的第一部分通过搅拌摩擦焊工具以第一角速度搅拌，而搅拌摩擦焊
接头的第二部分由搅拌摩擦焊工具以第二角速度搅拌，从而在第一和第
二部分中形成不同精细度的晶粒结构。在一个实施例，第一和第二结构
部件包括不同材料。在另一实施例中，第一和第二结构部件具有不同的
熔化温度。在另一实施例，该第一和第二结构部件具有不同硬度。
因此，本发明提供了用于通过对较大工件或具有弯曲几何形状的工
件进行搅拌摩擦焊而形成焊接接头的搅拌摩擦焊工具、装置以及相应的
生产方法。该工具能够在搅拌摩擦焊过程中有效支承焊接接头，并将塑
化材料限制在焊接接头内。该工具能够很容易适应变化的工件几何形状
和尺寸。此外，该工具能够对具有不同材料特性的工件进行搅拌摩擦焊。
附图说明
通过下面结合附图对本发明的详细说明，可以更清楚本发明的前述
和其它优点和特征以及实现本发明的方法，这些附图表示了本发明的优
选示例实施例，但是附图并不需要按比例画出，附图中：
图1A是普通搅拌摩擦焊工具的局部透视图，表示了肩部和探头在搅
拌摩擦焊过程中的位置；
图1B是普通搅拌摩擦焊工具的剖视图，表示了肩部和探头在搅拌摩
擦焊过程中的定位；
图2A是表示根据本发明一个实施例，两个工件在搅拌摩擦焊之前定
位成在它们之间形成交界面；
图2B是表示根据本发明一个实施例，由图2A中所示的两个工件通
过搅拌摩擦焊形成结构组件的透视图；
图3是表示根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊工具的正视图；
图4是表示根据本发明一个实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图5是表示图4中所示的销的一端的正视图；
图6是表示根据本发明另一实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图7是表示图6中所示的销沿线7-7的剖视图；
图8是表示根据本发明另一实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图9是表示图8中所示的销沿线9-9的剖视图；
图10是表示根据本发明另一实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图11是表示图10中所示的销沿线11-11的剖视图；
图12是表示根据本发明另一实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图13是表示图12中所示的销的一端的正视图；
图14是表示图12中所示的销沿线14-14的剖视图；
图15是表示根据本发明另一实施例的、用于搅拌摩擦焊工具的销的
正视图；
图16是表示图15中所示的销的一端的正视图；
图17是表示图1 5中所示的销沿线17-17的剖视图；
图18是表示根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊工具的第二肩部
的正视图；
图19是表示图18中所示的第二肩部的端部的平面图，该端部构造
成与工件摩擦接合；
图20是图18中所示的第二肩部的仰视图；
图21是图18中所示的第二肩部沿线21-21的剖视图；
图22是根据本发明一个实施例的、搅拌摩擦焊工具的销的端部的局
部正视图，该端部用于与第二肩部连接；
图23是表示根据本发明另一实施例的搅拌摩擦焊工具的第二肩部
的正视图；
图24是表示图23中所示的第二肩部的端部的平面图，该端部构造
成与工件摩擦接合；
图25是图23中所示的第二肩部的仰视图；
图26是图23中所示的第二肩部沿线26-26的剖视图；
图27是根据本发明一个实施例的、搅拌摩擦焊工具的第一肩部的端
部的正视图，该端部确定了孔，用于可滑动地接收销；
图28是表示图27中所示的第一肩部沿线28-28的剖视图；
图29是表示图28中所示的第一肩部的端部沿线29-29的正视图，
该端部构造成与工件摩擦接合；
图30是表示图29中所示的第一肩部沿线30-30的局部剖视图；
图31是根据本发明另一实施例的、搅拌摩擦焊工具的第一肩部的端
部的正视图，该端部确定了孔，用于可滑动地接收销；
图32是表示图32中所示的第一肩部沿线32-32的剖视图；
图33是表示图32中所示的第一肩部的端部沿线33-33的正视图，
该端部构造成与工件摩擦接合；
图34是表示图29中所示的第一肩部沿线34-34的局部剖视图；
图35是根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊搭接接头的正视图；
图36是表示根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊的操作的流程图；
以及
图37是表示根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊的操作的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图更充分地介绍本发明，附图中表示了本发明的某些
(但不是全部)实施例。实际上，本发明可以以多种不同形式实施，并
不是限制为这里所述的实施例；而是，提供这些实施例是为了使本说明
书详细和完整，并使本领域技术人员充分了解本发明的范围。在全部附
图中，相同的参考标号表示相同部件。
下面参考附图，特别是参考图2B，图中表示了根据本发明一个实施
例的搅拌摩擦焊装置20，用于对工件23(例如图2A中所示的工件23)
进行搅拌摩擦焊。本发明的搅拌摩擦焊装置20特别适于对较大工件和具
有弯曲几何形状的工件进行搅拌摩擦焊。搅拌摩擦焊装置20包括搅拌摩
擦焊工具22以及用于使搅拌摩擦焊工具旋转的设备或机器(未示出)，
该设备或机器例如铣床或钻床，具有心轴21，优选是，该心轴21包括可
独立旋转和可轴向移动的外部部分21a和内部部分21b。优选是，该心轴
21的外部部分21a和内部部分21b可以彼此独立地轴向移动。用于使搅
拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器可以人工操作，但优选是它们通过在
软件控制下工作的计算机、微处理器、微控制器等来操作。根据一个实
施例，用于使搅拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器包括由ESAB制造的
55UA线轴工具焊接机器。
如图3所示，搅拌摩擦焊工具22包括第一肩部24、第二肩部25以
及在它们之间延伸的销26。参考图27-34，第一肩部24可以形成为各
种结构，但是优选是柱形。第一肩部24具有本体29，该本体29确定了
沿第一肩部的长度延伸的孔32。优选是，第一肩部24的本体29由具有
很高强度和热阻的材料形成。仅作为举例而非限定，第一肩部24的本体
29可以由工具钢、钼合金(如TZM)、以及镍合金如Rene 41(UNS N07041)
构成。第一肩部24的本体29的第一端29a构造成与心轴21的外部旋转
部分21a可旋转地连接，因此第一肩部与心轴可旋转地连接。例如，心
轴21的外部旋转部分21a可以包括普通夹盘或夹头(未示出)，该夹盘
或夹头与第一肩部24的本体29的外部接合。在另一实施例(未示出)
中，第一肩部24的孔32确定了在第一端29a处的螺纹部分，该螺纹部
分构造成与从心轴21的外部旋转部分21a上伸出或者由该外部旋转部分
21a确定的相应螺纹部分进行螺纹接合。在还一实施例中(未示出)，第
一肩部24的本体29的外部确定了在第一端29a处的螺纹部分，该螺纹
部分构造成与由心轴21的外部旋转部分21a确定的相应螺纹部分进行螺
纹接合。
如图28和32所示，第一肩部24的孔32的直径在本体29的第一端
29a处大于在本体29的第二端29b处。更具体地说，孔32的直径从第一
肩部23的第一端29a朝着第二端29b逐渐变小，直到恰好在第一肩部的
第二端29b前面，在该处，孔32的直径相对急剧减小。第一肩部24的
孔32的直径急剧减小将确定倾斜内表面34，该倾斜内表面34靠近第一
肩部的第二端29b并在该第二端29b处环绕孔32。
如图29、30、33和34所示，第一肩部24的第二端29b(该第二端
邻近图2B中的工件23)具有表面35，该表面构造成与工件摩擦接合，
从而至少部分地形成搅拌摩擦焊接头19。例如，在一个实施例中，如图
29和33所示，表面35具有螺纹36。在另一实施例(未示出)中，表面
35具有凸形结构。在另一实施例中，表面35具有凹形结构，与图1B中
所示的肩部16类似，以便捕获和将塑化材料固定在焊接接头19中。在
还一实施例中，表面35确定了一个或多个凸出部分或表面，例如螺纹36、
凸块或肋，该凸出部分或表面构造成与工件23摩擦接合。在还一实施例
中，表面35具有相对平直或平面形结构。
参考图4-17，销26具有第一端30和第二端31以及搅拌部分37，
该搅拌部分37沿销的长度方向布置在第一和第二端之间。优选是，销26
由具有很高强度和热阻的材料形成。仅作为举例而非限定，该销26可以
由工具钢、钼合金如TZM、以及镍合金如Rene 41(UNS N07041)而构成。
如图4和5所示，优选是销26的第一端30确定了螺纹部分28，如图2B
所示，该螺纹部分28构造成与在适配器或轴27中的相应螺纹孔(未示
出)进行螺纹接合，该适配器或轴27从该销28延伸至心轴21的内部旋
转部分21b，因此，销与心轴可旋转地连接。在另一实施例(未示出)中，
销26的第一端30有足够长度，以便利用螺纹连接或普通的夹盘或夹头
(未示出)而与心轴21的内部旋转部分21b直接连接。
参考图4和5，销26的第一端30确定了靠近该销的螺纹部分28的
凸起40。比较图4与图28和32，该凸起40包括倾斜外表面40a，该倾
斜外表面40a的直径相对急剧减小，这与由第一肩部24的孔32在本体
29的第二端29b处确定的倾斜内表面34局部相对应。销26和凸起40的
直径为这样，即销的第二端31和凸起将通过第一肩部24的孔32从第一
端29a滑向第二端29b，直到凸起的外表面40a抵靠由孔32确定的倾斜
内表面34。在该位置，销26的第二端31通过确定于第一肩部24中的孔
32而从第一肩部24的第二端29b中伸出。优选是，销26和凸起40可在
第一肩部24的孔32中自由旋转。优选是，第一肩部24的倾斜内表面34
机械加工成具有很高光洁度，该倾斜内表面34与第一肩部29的厚度组
合作为在销26和第一肩部24的接触表面之间的轴承，以便减小它们之
间的摩擦。优选是，第一肩部24的本体29的厚度为大约0.375英寸或
更厚。
参考图4、6、7、8、9、10、11、12、14、15和17，销26具有搅
拌部分37，该搅拌部分可以根据工件14的尺寸和材料特性而构造成各种
结构。例如，在一个实施例中，如图6、7、10和11所示，销26的搅拌
部分37确定了一个或多个平表面52。在另一实施例中，如图6、7、10
和11所示，销26的搅拌部分37确定了至少一个螺纹表面54和至少一
个平表面52。在另一实施例中，如图4所示，销26的搅拌部分37包括
具有沿第一方向的螺纹的第一螺纹表面54a以及具有沿第二方向的螺纹
的第二螺纹表面54b，其中，该第一方向与第二方向不同。在还一实施例
中，如图8、9、12和15所示，销26的搅拌部分37包括多个凹形表面
55。
参考图18-21和23-26，第二肩部25可以形成为各种结构，但是
优选为柱形。第二肩部25具有本体39，该本体39确定了至少在它的第
一端39a处的孔42。优选是，第二肩部25的本体39由具有很高强度和
热阻的材料形成。仅作为举例而非限定，第二肩部25的本体39可以由
工具钢、钼合金如TZM、以及镍合金如Rene 41(UNS N07041)构成。第
二肩部25的本体39的第一端39a构造成与销26的第二端31可旋转地
连接，因此与心轴21的内部旋转部分21b可旋转地连接。例如，如图21
和22所示，销26的第二端31可以具有螺纹33，第二肩部25的本体39
的孔42可以具有螺纹46，这样，销的第二端可螺纹安装在该孔42内。
也可选择，如图26所示，销26的第二端31可以确定了多边形表面(未
示出)，且第二肩部25的本体39的孔42可以确定了相应的多边形结构
43，这样，销26的第二端31将配合安装在孔42内。机械紧固件(未示
出)例如开口销或固定螺钉可以用于将销26的第二端31固定在第二肩
部25的孔42内。如图21、22和26所示，由第二肩部25的本体39确
定的孔42可以构造成容纳销26的第二端31的尖端31a。如图21和26
所示，孔42可以穿过第二肩部25的本体39的整个长度而从第一端39a
伸向第二端39b，或者仅穿过该第二肩部的本体39的一部分延伸。
如图18、21、23和26所示，优选是第二肩部25的本体39确定了
一个或多个肋50，这些肋50构造成从焊接接头19向外传热。当搅拌摩
擦焊工件23由不同材料形成时(其中一个工件的固相线温度低于另一工
件)，肋50可能特别有利。肋50从靠近第二肩部25的工件(该工件有
较低固相线温度)向外传热，从而使该工件的温度低于靠近第一肩部24
的工件(该工件具有较高固相线温度)的温度。在另一实施例(未示出)
中，肋50形成于第一肩部24上，而不是第二肩部25，且具有较低固相
线温度的工件布置成靠近第一肩部。
如图19、21、24和26所示，第二肩部25的本体39的第一端39a
(该第一端39a靠近图2B中的工件23)具有表面45，该表面45构造成
与工件摩擦接合，从而至少部分地形成搅拌摩擦焊接头19。例如，在一
个实施例中，如图19和24所示，表面45具有螺纹48。在另一实施例(未
示出)中，表面45具有凸形结构。在另一实施例中，表面45具有凹形
结构，与图1B中所示的肩部16类似，以便捕获塑化材料和并将该塑化
材料固定在焊接接头19中。在还一实施例中，表面45确定了一个或多
个凸出部分或表面，例如螺纹48、凸块或肋，该凸出部分或表面构造成
与工件23摩擦接合。在还一实施例中，表面45具有相对平直或平面形
结构。
在搅拌摩擦焊装置20工作之前，搅拌摩擦焊工具22固定在心轴21
上。根据一个实施例，销26的第一端30首先安装在心轴21的内部部分
21b上。例如，销26的第一端30和心轴21的内部部分21b可以包括配
合螺纹，或者心轴的内部部分21b可以包括普通夹盘或夹头。然后，销
26的第二端31穿过由第一肩部24的本体29的第一端29a确定的孔32
插入，从而使销的第二端31通过孔32而在第一肩部的本体29的第二端
29b处伸出。第一肩部24安装在心轴21的外部部分21a上。例如，第一
肩部24和心轴21的外部部分可以包括配合螺纹，或者心轴的外部部分
21a可以包括普通夹盘或夹头。然后，销26的第二端32再插入由第二肩
部25确定的孔42内并固定在该孔42中。例如，销26的第二端32和第
二肩部25的孔42可以包括配合螺纹，或者销的第二端32和第二肩部的
孔42可以确定了相应的凸形和凹形多边形结构。机械紧固件(未示出)
例如普通开口销或固定螺钉可以插入第二肩部25中，以便将销26的第
二端32固定在孔42内。在另一实施例中，可以预先在工件23中机械加
工成用于容纳销26的第二端32的孔(未示出)，这时，销的第二端32
穿过该孔插入，然后安装在第二肩部25上。
当搅拌摩擦焊工具22安装在心轴21上时，就可以形成搅拌摩擦焊
接头19。根据本发明的一个实施例，心轴21的外部部分21a旋转，从而
使第一肩部24旋转，心轴的内部部分21b旋转，从而使销26和第二肩
部26旋转。优选是，心轴21构造成使外部部分21a和内部部分21b的
旋转速度和方向(即“角速度”)可以彼此独立变化。例如，使第一肩部
24旋转的心轴21的外部部分21a的旋转方向和转速与使第二肩部25旋
转的心轴21的内部部分21b相同。也可选择，使第一肩部24旋转的心
轴21的外部部分21a的旋转方向和/或转速与使第二肩部25旋转的心轴
21的内部部分21b不同。
为了形成搅拌摩擦焊接头19，旋转的搅拌摩擦焊工具22运动进入
并与工件23接触，这样，第一和第二肩部24、25的旋转表面35、45分
别地与工件摩擦接合，以及销26的搅拌部分37与工件摩擦接合。优选
是，旋转的搅拌摩擦焊工具22沿预定路径穿过工件运动，从而形成细长
焊接接头。在搅拌摩擦焊过程中，工件23的、靠近销26的部分“夹在”
第一肩部24和第二肩部25之间。优选是，由第一和第二肩部24、25的
表面35、45施加的力挤压销26周围的工件23，从而形成密封，这防止
塑化材料被挤出。
根据本发明的一个实施例(未示出)，用于使搅拌摩擦焊工具22旋
转的设备或机器可以构造成使第一肩部24(或第二肩部25)和销26的
组合、或者第一肩部24以及第二肩部25和销26的组合能够根据由第一
肩部和/或第二肩部施加在工件23和焊接接头19上的力量值变化而彼此
相对旋转和轴向移动。例如，搅拌摩擦焊装置20可以包括用于测量由第
一肩部和/或第二肩部施加在工件23和焊接接头19上的力量值的装置。
用于测量力量值的装置可以包括在软件控制下工作的计算机、微处理器、
微控制器等，该计算机、微处理器、微控制器等与至少一个传感器电连
通。该传感器可以包括位于工件23、第一肩部24和/或第二肩部25上的
应变仪测力计、压电测力计、测力计、气动测力计或液压测力计。
在工作过程中，来自该至少一个传感器的测量值通过合适的电或光
学布线而周期性地传递或发送给计算机、微处理器或微控制器。然后，
该计算机、微处理器或微控制器将由传感器测量的力量值与预定值比较。
当由传感器发送的力量值与预定值不同时，计算机、微处理器或微控制
器向用于使搅拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器发送信号，从而使该设
备或机器改变由第一肩部24和第二肩部25施加在工件23和焊接接头19
上的力。该处理可以根据由传感器传递给计算机、微处理器或微控制器
的随后测量值重复进行，直到力量值等于或接近预定值。
如上所述，用于使搅拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器可以包括由
ESAB制成的55UA线轴工具焊接机器，它包括心轴21，该心轴21具有：
外部部分21a，该外部部分21a用于使第一肩部24旋转和轴向移动；以
及内部部分21b，该内部部分21b用于使销26和第二肩部25旋转和轴向
移动。该设备或机器可以人工操作，或者可以通过使用合适的电或光学
布线(未示出)使该设备或机器与在软件控制下工作的计算机、微处理
器、微控制器等连接而自动操作。
当从传感器发送来的力量值小于预定值时，计算机、微处理器或微
控制器向用于使搅拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器发送信号，从而使
该设备或机器增加由第一和第二肩部24、25施加在工件23和焊接接头
19上的力。例如，通过使心轴21的内部部分21b沿离开第一肩部的本体
29的第一端29a的方向轴向移动来将销26和第二肩部25压向第一肩部
24，从而可以增大作用在工件23和焊接接头19上的力。也可选择或者
同时，通过使心轴21的外部部分21a沿朝着第二肩部的方向轴向移动来
将第一肩部24压向第二肩部25，从而可以增大作用在工件23上的力。
当由传感器发送的力量值大于预定值时，计算机、微处理器或微控
制器向用于使搅拌摩擦焊工具22旋转的设备或机器发送信号，从而使该
设备或机器减小由第一和第二肩部24、25施加在工件23和焊接接头19
上的力。例如，通过使心轴21的内部部分21b沿朝着第一肩部的本体29
的第一端29a的方向轴向移动来迫使销26和第二肩部25离开第一肩部
24，从而可以减小作用在工件23和焊接接头19上的力。也可选择或者
同时，通过使心轴21的外部部分21a沿离开第二肩部的方向轴向移动来
迫使第一肩部24离开第二肩部25，从而可以减小作用在工件23上的力。
在本发明的另一实施例中(未示出)，搅拌摩擦焊装置20包括响应
测量装置的装置，用于使销26相对于第一肩部24的第二端29b轴向移
动，以便使第二肩部25朝着或离开工件23而轴向移动，从而改变由第
一和第二肩部24、25施加在工件和焊接接头19上的力。响应测量装置
的装置可以包括凸轮和从动件、传动螺杆或者促动器组件，例如一个或
多个气动或液压臂。例如，本发明的受让人开发了用于控制搅拌摩擦焊
探头的位置的方法和装置，如在本申请人拥有的美国专利申请
No.09/087416所述，该美国专利申请No.09/087416的标题是“用于在搅
拌摩擦焊中控制向下力的方法和装置(Method and Apparatus for
Controlling Downforce During Friction Stir Welding)”，申请日为
1998年5月29日，该文献的整个说明书被本文参引。
根据本发明，连接或焊接的工件23可以由相同或不同金属形成。优
选是，因为工件23通过搅拌摩擦焊来连接，因此工件23可以由通过普
通熔焊技术不能焊接或者不能经济连接的不同材料形成。不可焊接的材
料在用普通熔焊技术连接时将产生相对较弱的焊接接头，该焊接接头将
在焊接固化过程中产生裂纹。不可焊接的材料通常包括铝和某些铝合金，
特别是AA系列2000和7000合金。使用搅拌摩擦焊使得由不能焊接的材
料形成的工件23能够牢固连接。搅拌摩擦焊也可以用于使可焊接材料与
其它可焊接材料以及不可焊接材料进行牢固连接。例如，一个或两个工
件23可以由铝、铝合金、钛或钛合金形成。因此，形成工件23的材料
能够从各种重量轻、高强度的金属和合金中选择，从而有助于减小所形
成的结构组件的总重量，这在航空航天业中非常重要。
参考图35，图中表示了搭接接头56，根据本发明的一个实施例，该
搭接接头56使用搅拌摩擦焊工具22形成。尽管搅拌摩擦焊工具22可以
用于形成各种不同类型的焊接接头(包括但不局限于：对接接头、边缘
接头以及搭接接头)，但是本发明特别有利于形成搭接接头和边缘接头，
该搭接接头和边缘接头由具有不同固相线温度的两个或更多工件或结构
部件23a、23b形成。如图35所示，第二结构部件23b至少部分与第一
结构部件23a交叠，以便确定在它们之间的交界面57。搭接接头56包括
搅拌摩擦焊接头58，该搅拌摩擦焊接头58在交界面57处至少部分连接
第一和第二结构部件23a、23b。搅拌摩擦焊接头58确定了第一和第二部
分58a、58b。搅拌摩擦焊接头58的第一部分58a由搅拌摩擦焊工具22
以第一角速度搅拌，更具体地说由具有第一角速度的第二肩部25的表面
45搅拌，而搅拌摩擦焊接头58的第二部分58b由搅拌摩擦焊工具22以
第二角速度搅拌，更具体地说由具有第二角速度的第一肩部24的表面35
搅拌，从而在第一和第二部分58a、58b中形成不同精细度的晶粒结构。
这里使用的“角速度”包括速度分量和方向分量。对于遵循“右手定律”
的运动(即逆时针方向运动)，方向分量为正，对于沿相反方向的运动(即
顺时针方向运动)，方向分量为负。
优选是，因为当形成焊接接头19时第一和第二肩部24、25的表面
35、45可以以不同角速度旋转，因此，用于构成第一和第二结构部件23a、
23b的材料不仅可以包括不同材料，而且材料可以具有不同固相线温度和
不同硬度，所以可以用于构成结构组件的材料的范围将进一步扩大。
参考图36，图中表示了根据本发明一个实施例，使用搅拌摩擦焊装
置20对工件23进行搅拌摩擦焊的操作。该方法包括将第一和第二肩部
定位成邻近工件。见方框60。该第一和第二肩部分别具有构造成与工件
摩擦接合的表面。使销与第一和第二肩部连接，以便使销在它们之间延
伸。见方框61。该销确定了搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件摩擦接
合。然后，使第一肩部以第一角速度旋转，并使销和第二肩部以不同于
第一角速度的第二角速度旋转，从而使销、第一肩部和第二肩部中的每
个的至少一部分与工件摩擦接合，从而形成搅拌摩擦焊接头。见方框68。
销的搅拌部分可以沿预定路径通过工件运动。见方框72。
参考图37，图中表示了根据本发明另一实施例，使用搅拌摩擦焊装
置20对工件23进行搅拌摩擦焊的操作。该方法包括将第一和第二肩部
定位成邻近工件。见方框80。该第一和第二肩部分别具有构造成与工件
摩擦接合的表面。使销与第一和第二肩部连接，以便使销在它们之间延
伸。见方框81。该销确定了搅拌部分，该搅拌部分构造成与工件摩擦接
合。使第一肩部旋转。见方框88。在该第一旋转步骤的同时，使销和第
二肩部独立于第一肩部旋转，从而使销、第一肩部和第二肩部中的每个
的至少一部分与工件摩擦接合，从而形成搅拌摩擦焊接头。见方框89。
例如，第一和第二旋转步骤可以包括使第一和第二肩部以相同角速度旋
转。在另一实施例中，第一和第二旋转步骤包括使第一肩部以第一角速
度旋转，并使销和第二肩部以第二角速度旋转，其中，该第二角速度与
第一角速度不同。见方框90。这里使用的“角速度”包括速度分量和方
向分量。对于遵循“右手定律”的运动(即逆时针方向运动)，方向分量
为正，对于沿相反方向的运动(即顺时针方向运动)，方向分量为负。销
的搅拌部分可以沿预定路径通过工件运动。见方框94。
如图36和37所示，使销与第一和第二肩部连接的方法可以变化。
在一个实施例中，连接步骤包括使销的端部滑过第一肩部中的孔。见方
框62和82。然后，连接步骤可以包括使销的端部螺纹连接到由第二肩部
确定的螺纹孔内。见方框63和83。在另一实施例中，连接步骤包括在工
件中钻孔。见方框64和84。销的端部滑过第一肩部中的孔。见方框65
和85。使销的端部通过工件中的孔插入，并与第二肩部连接。见方框66
和86。然后，使销的端部与第二肩部连接。见方框67和87。
如图36和37中所示，第一和第二肩部的相对位置可以改变，以便
调节由该肩部施加在工件上的力。见方框69和91。例如，在一个实施例
中，将销压向第一肩部，以便将第二肩部压向第一肩部。见方框70和92。
在另一实施例中，将第一肩部压向第二肩部。见方框71和93。
因此，本发明提供了用于通过对较大工件或具有弯曲几何形状的工
件进行搅拌摩擦焊而形成焊接接头的搅拌摩擦焊工具、装置以及相应的
制造方法。该工具能够在搅拌摩擦焊过程中有效支承焊接接头，并将塑
化材料限制在焊接接头内。该工具能够很容易适应变化的工件几何形状
和尺寸。此外，该工具能够对具有不同材料特性的工件进行搅拌摩擦焊。
本领域技术人员根据前面的说明书和附图中的教导内容，可以提出
本发明的多种变化形式和其它实施例。因此，应当知道，本发明并不局
限于所述特定实施例，这些变化形式和其它实施例将包含在所附的权利
要求的范围内。尽管在本文中采用了专业术语，但是它们只是用于说明
目的，并不是为了限制。