CN101970167A - 用于同时对部件间的多平行壁进行搅拌摩擦焊的先进多轴肩固定线轴式搅拌头 - Google Patents

用于同时对部件间的多平行壁进行搅拌摩擦焊的先进多轴肩固定线轴式搅拌头 Download PDF

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Abstract

一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头(10)包括一体式柄-搅拌针单元(11)，其具有在柄-搅拌针单元上的多个搅拌针部，其中，多个搅拌针部用于驱动进入多个接头中，以在相应多个接头上进行搅拌摩擦焊操作，其中，柄-搅拌针单元的柄部用于连接可选的轴向张力杆(19)，搅拌摩擦焊模块的各模块包括：一对轴肩(13，14)，连接至柄-搅拌针单元，其中各轴肩具有远端和近端，其中各轴肩的近端面向柄-搅拌针单元的搅拌针部，由此轴肩和搅拌针一起旋转；以及一对拼合环或一对螺母，连接至柄-搅拌针单元并面向各轴肩的远端；其中，所述多个搅拌摩擦焊模块彼此连接，由此，所述多个模块一起旋转，以同时形成多个平行焊缝。另外，提供了一种同时搅拌摩擦焊多个接头的方法，包括采用至少一个多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头。

Description

用于同时对部件间的多平行壁进行搅拌摩擦焊的先进多轴肩固定线轴式搅拌头
交叉引用的申请
本发明主张于2008年3月14日提交的题为“用于同时对部件间的多平行壁进行搅拌摩擦焊的先进多轴肩固定线轴式搅拌头”且合并于此的美国非临时专利申请US 12/048,696的权益。
技术领域
本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊的多轴肩搅拌摩擦焊线轴式搅拌头(bobbin tool)，而且更特别地，本发明涉及采用多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头对具有多个平行部分的部件之间的多个平行接头同时进行搅拌摩擦焊。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)工艺为固态基连接工艺，其使得可将广泛的各种材料合金(铝、铜、不锈钢等)焊接至自身以及组合(例如6XXX/5XXX、2XXX/7XXX等)。这种连接由旋转FSW搅拌头(tool)实施，推动旋转FSW搅拌头进入到连接区域，以通过摩擦将连接区域加热并由此将连接区域周围的部分“塑化”。塑化的材料在旋转FSW搅拌头的轴线周围流动，且塑化的区域结合成良好的冶金结合部。
发明内容
在一个实施例中，本发明给出了一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，包括：一体式柄-搅拌针单元，其具有在柄-搅拌针单元上的多个搅拌针部，其中，多个搅拌针部用于插入多个接头中，以在相应多个接头上进行搅拌摩擦焊操作，而且其中，柄-搅拌针单元的柄部用于连接至可选的轴向张力杆；多个搅拌摩擦焊模块，所述多个搅拌摩擦焊模块的各模块包括：一对轴肩，其连接至柄-搅拌针单元，其中各轴肩具有远端和近端，其中各轴肩的近端面向柄-搅拌针单元的搅拌针部，由此轴肩和搅拌针一起旋转；以及一对拼合环或一对螺母，其连接至柄-搅拌针单元并面向各轴肩的远端；其中，所述多个搅拌摩擦焊模块彼此连接，由此，所述多个模块一起旋转，以同时形成多个平行焊缝。
在一个实施例中，本发明提供了一种用于对具有多个平行部分的部件之间的多个平行接头同时进行搅拌摩擦焊的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头。所述多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头包括：一体式柄-搅拌针单元，其具有在柄-搅拌针单元上的多个搅拌针部，其中，多个搅拌针部用于驱动进入多个接头中，以在相应多个接头上进行搅拌摩擦焊操作，而且其中，柄-搅拌针单元的柄部用于连接至可选的轴向张力杆；多个搅拌摩擦焊模块，所述多个搅拌摩擦焊模块的各模块包括：一对轴肩，其连接至柄-搅拌针单元，其中各轴肩具有远端和近端，其中各轴肩的近端面向柄-搅拌针单元的搅拌针部，由此轴肩和搅拌针一起旋转；以及一对拼合环或一对螺母，其连接至柄-搅拌针单元并面向各轴肩的远端；其中，所述多个搅拌摩擦焊模块彼此连接，由此，所述多个模块一起旋转，以同时形成多个平行焊缝。
在一个实施例中，轴向张力杆置于多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的柄-搅拌针单元的柄部内。在另一实施例中，柄-搅拌针单元包括加载装置，用于将轴向张力杆置于受拉状态而将柄-搅拌针置于受压状态。
在又一实施例中，柄-搅拌针单元具有无螺纹端，其具有至少两个沿柄-搅拌针单元长度的平坦部。在另一实施例中，各轴肩具有开口，以便于与柄-搅拌针单元上的螺纹接触。
在再一实施例中，各拼合环具有螺纹外径和螺纹内径，通过将所述环的外径拧入到轴肩内径上的螺纹上并将所述环的内径拧到柄-搅拌针单元外径上的螺纹上，而将拼合环连接至柄-搅拌针单元。在另一实施例中，各拼合环还通过螺钉连接至或拧紧到柄-搅拌针单元。
在另一实施例中，柄-搅拌针单元由实心杆制成。
在还一实施例中，各螺母具有螺纹外径和螺纹内径，通过将螺母的外径拧入到轴肩内径上的螺纹上并将螺母的内径拧到柄-搅拌针单元外径上的螺纹上，而将螺母连接至柄-搅拌针单元。在另一实施例中，各螺母还通过螺钉连接至或拧紧到柄-搅拌针单元。在另一实施例中，各螺母还通过锁紧螺母连接至柄-搅拌针单元。
在又一实施例中，轴肩可为带一体式轴肩的驱动柄。
在再一实施例中，用于将轴向张力杆置于受拉状态而将柄-搅拌针置于受压状态的加载装置为轴承，所述轴承置于柄-搅拌针单元端部中，用于在搅拌摩擦焊操作过程中脱开并释放由柄-搅拌针单元的搅拌针部经受的扭矩。
在再一实施例中，轴肩的远端和环的螺纹外径形成小凹穴，以防止塑化的材料从接头流出。
在再一实施例中，本发明提供了一种采用至少一个多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头同时搅拌摩擦焊多个接头的方法。在另一实施例中，两个多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头由旋转分离传送系统或两个同步伺服控制电机同时驱动。
由此，本发明的一个实施例提供了一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，用于对具有多个平行部分的部件之间的多个平行接头同时进行搅拌摩擦焊。
本发明的另一个实施例提供了一种采用至少一个在此请求保护的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头同时搅拌摩擦焊多个接头的方法。
通过下面的说明书和附图，本发明的这些和其他更多的实施例将变得更清晰。
附图说明
为了更完整地了解本发明，参照下列结合附图进行的说明，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的对两个平行接头同时焊接的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的一个实施例的正视图；
图2是图1的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的一个实施例的剖视图，其带有内部张力杆；
图3A是图1的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的驱动柄组件端部的一个实施例的分解图；
图3B为根据本发明另一实施例的驱动柄组件端部的一个实施例的剖视图，其带有推力轴承，推力轴承用于使张力杆从多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的搅拌针柄所经受的扭转脱离；
图3C为图1的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的推力轴承端的底端的一个实施例的分解图；
图4A是根据本发明一个实施例的一体式柄-搅拌针单元的一个实施例的正视图，其用于多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头中；
图4B为图4A的柄-搅拌针单元的无螺纹底端的一个实施例的立体图；
图4C为图4A的柄-搅拌针单元的无螺纹顶端的一个实施例的正视图；
图4D为图4A的柄-搅拌针单元的搅拌针12上的螺纹的一个实施例的视图；
图5A是根据本发明另一实施例的一体式柄-搅拌针单元的一个实施例的正视图，其用于多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头中；
图5B是轴肩的一个实施例的正视图，其用于根据本发明一个实施例的图5A的一体式柄-搅拌针单元上；
图5C是图5A的柄-搅拌针单元的一端的一个实施例的正视图；
图6A和图6B为根据本发明一个实施例的利用拼合环将轴肩组装到柄-搅拌针单元上的一个实施例的正视图；
图7A、图7B和图7C为根据本发明另一实施例的利用拼合环将轴肩组装到柄-搅拌针单元上的一个实施例的正视图；
图8是根据本发明一个实施例的搅拌摩擦焊模块的一个实施例的剖视图；
图9是根据本发明一个实施例的两个相对的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头一个实施例的正视图，用于分别同时焊接两个平行接头；
图10是图9的两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的一个实施例的剖视图，其带有内部张力杆；
图11为根据本发明一个实施例的图10的两个相对的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头的一个实施例的立体图，分别同时焊接两个平行接头；
图12A、图12B、图12C和图12D为根据本发明一个实施例的扭矩-分离传送机构的一个实施例的立体图，这种类型的扭矩-分离传送机构用于同时且同步驱动两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头；
图13为根据本发明另一实施例的两个伺服驱动电机的一个实施例的立体图，两个伺服驱动电机用于同时且同步地驱动两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头；
图14为根据本发明另一实施例的使用双端拼合环的一个实施例的剖视图；以及
图15A和图15B为根据本发明一个实施例利用捕获调整螺母将轴肩和驱动柄组装到柄-搅拌针单元上的一个实施例的正视图。
具体实施方式
本发明提供了多轴肩固定线轴式搅拌头，其能对部件(例如片材、板材、凸缘或辐板、挤压件的较平部分、铸件的较平部分)之间的多个平行接头同时进行搅拌摩擦焊。
在下面的讨论中，方向术语(例如“上”、“下”、“顶”、“底”等)相对于定向成FSW搅拌头的底端处于底部处而柄端处于顶部处的焊接设置而言。还使用了术语“远端”和“近端”。远端具有距FSW搅拌头的搅拌针(pin)最远的含义，而近端指的是更靠近FSW搅拌头的搅拌针。
在一个实施例中，本发明提供了一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，包括：一体式柄-搅拌针单元，其具有在柄-搅拌针单元上的多个搅拌针部，其中，多个搅拌针部用于插入多个接头中，以在相应多个接头上进行搅拌摩擦焊操作，其中，柄-搅拌针单元的柄部用于连接至可选的轴向张力杆；多个搅拌摩擦焊模块，所述多个搅拌摩擦焊模块的各模块包括：一对轴肩，其连接至柄-搅拌针单元，其中各轴肩具有远端和近端，其中各轴肩的近端面向柄-搅拌针单元的搅拌针部，由此轴肩和搅拌针一起旋转；以及一对拼合环或一对螺母，其连接至柄-搅拌针单元并面向各轴肩的远端；其中，所述多个搅拌摩擦焊模块可直接或间接地彼此连接，由此，所述多个模块一起旋转，以同时形成多个平行焊缝。例如，多个搅拌摩擦焊模块可通过柔性连接机构而旋转地和横向地连接
在一个实施例中，为了采用多轴肩固定线轴式搅拌头对a)多个平行接头(例如2，4)、b)比较厚的壁(2.5cm)、以及c)韧/强合金(例如7085)进行搅拌摩擦焊，搅拌头必须超强，以在焊接过程中抵抗在搅拌头的搅拌针处剧烈的周期性弯扭。为了在FSW搅拌头焊接多个平行接头过程中防止强烈周期性弯扭，本发明提出了借助于内部张力元件在轴肩之间结合使用搅拌针的压缩加载的构思，而且还提出了一体式搅拌针/柄总体的构思，其带有自锁轴肩和拧到搅拌针/柄总体上的拼合环。
在一个实施例中，图1示出了根据本发明的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头10(“FSW”搅拌头)。在一个实例中，FSW搅拌头10用于同时形成两个平行焊缝，且包括可保持在搅拌摩擦焊机的卡盘或夹头中的一体式柄-搅拌针单元11。在一个实例中，FSW搅拌头还包括两个搅拌针12，每个搅拌针具有围绕搅拌针12的左轴肩13和右轴肩14。每个左轴肩13和右轴肩14具有拼合环16。在再一实例中，拼合环16将各轴肩13和14牢固地紧固至柄-搅拌针单元11。在FSW搅拌头10的一端为驱动柄17，FSW搅拌头10在该处连接至搅拌摩擦焊机夹头(未示出)。在驱动柄17的端部处，设置有将张力元件置于受拉状态而由此将搅拌针置于受压状态的机构。该机构包括座圈/支座21和环挡圈22，在环挡圈22之下设置有位于座圈/支座21和环挡圈22之间的拼合环16、垫圈27、以及多个盘簧23，如图3A所示。仅举例而言，座圈/支座21和盘簧23可以分别为BellevilleTM座圈/支座和BellevilleTM盘簧。在FSW搅拌头10的另一端为推力轴承挡圈18。垫圈24防止柄-搅拌针单元11的端部推压轴承26。
在另一实施例中，拼合环16由又称为捕获调整螺母的螺母来替代。在再一实施例中，FSW搅拌头可以形成多于两个的平行焊缝。
在下面的讨论中，假设FSW搅拌头10将顺时针旋转。在这种情况下，两个轴肩14为右旋轴肩，就是说，两个轴肩14具有顺指针内径螺纹；而两个轴肩13为左旋轴肩，就是说，两个轴肩13具有逆时针内径螺纹。
如下面将更详细讨论的，各搅拌针12具有至少一个横跨这两个类型的螺纹的平坦部区域(flat area)34，如图4D所示。这些平坦部34防止轴肩13和14在与拼合环16接合的过程中以及在搅拌摩擦焊的过程中旋转。如图6A和图6B所示，轴肩13和14经由拼合环16附接至柄-搅拌针单元11，而分别地，这些拼合环16的各个半部具有在内径16b和外径16a上的螺纹，同时轴肩13和14的每一个具有在内径13b和14b上的螺纹。轴肩13和14通过转动并拧到拼合环16中而附接至搅拌针柄11，从而使得它们的内径16b拧到柄-搅拌针单元11上，而它们的外径16a拧到轴肩13和14的内径13b和14b中。当拼合环16紧拧到柄-搅拌针单元11的外径11a上的螺纹上和所述轴肩的内径13b和14b上的螺纹上时，轴肩13和14沿着柄-搅拌针单元11定位并固定。
在此，更朝向右的右旋轴肩14连接至具有柄部和搅拌针部12a的柄-搅拌针单元11，如图4D所示。更朝左的右旋轴肩14连接至包括搅拌针部12a的同一柄-搅拌针单元11。
同样地，左旋轴肩13连接至具有柄部和搅拌针部12b的柄-搅拌针单元11，如图4D所示。更朝右的左旋轴肩13连接至包括搅拌针部12b的同一柄-搅拌针单元11。
搅拌针部12a上的螺纹为左旋螺纹，从而当FSW搅拌头10顺时针旋转时，塑化的材料被从搅拌针部12a和搅拌针部12b的汇合点33推向涡形轴肩(scroll shoulders)。同样地，搅拌针部12b上的螺纹为右旋螺纹，从而当FSW搅拌头10也如此旋转时，塑化的材料被推向相应轴肩。此外，拼合环16将各轴肩13和14牢固地紧固至柄-搅拌针单元11上的正确位置。此外，在一个实施例中，可选择地，可使用螺钉来将拼合环的两个半部连接，以额外进行固定，如图7B所示。
在一个实施例中，FSW搅拌头10的剖视图示出在图2中。在此，轴向张力杆19沿着柄-搅拌针单元11的整个长度设置。当该杆19置于受拉状态时，它将所述柄-搅拌针置于受压状态，其部分为处于轴肩14和13之间的搅拌针。
在一个实施例中，图3A示出了FSW搅拌头10的驱动柄组件的分解图。在一个实施例中，图3B示出了带推力轴承26的组装后的驱动柄组件端40的剖视图。在一个实施例中，图3C示出将推力轴承26保持在合适位置的推力轴承挡圈18和轴承座圈24。在本发明的另一实施例中，推力轴承26可定位在图3B所示的FSW搅拌头的驱动柄端部处。在此，推力轴承26定位在座圈/支座21和环挡圈22之间。仅举例而言，座圈/支座21为钢垫圈。
在一个实施例中，也称为回旋部的推力轴承26的目的之一是用于在FSW操作过程中将内部张力杆从搅拌针所经受的扭转状态脱开并释放。
在另一实施例中，柄-搅拌针单元为不带内部张力杆的实心杆。在这种情况下，在FSW搅拌头中就无需推力轴承。
图4A示出了根据本发明一个实施例的可容置内部张力杆的中空柄-搅拌针单元11。柄-搅拌针单元11具有无螺纹顶端28和无螺纹底端29。无螺纹顶端28具有带四个平坦部28a(图4B)的用于与驱动柄17(图1)接合的驱动环扭矩部(drive collar torque)。在一个实施例中，所述平坦部28a处于无螺纹顶端28的顶、底、左、右侧上，如图4B所示。还存在由四个平坦部28a的端部构成的环止挡件36，所述柄的端面靠在环止挡件36上。
图4C示出了根据本发明一个实施例的带搅拌头轴肩扭矩平坦部29a的无螺纹底端29的正视图。在无螺纹底端29上具有两个用于与“回旋”机构在其从带有张紧机构的内部张力杆19分离时接合的相对的平坦部29a，该张紧机构基于垫圈27(图3A)，仅举例而言，垫圈27可以为在柄-搅拌针单元11的另一端上的BellvilleTM垫圈。
在一个实施例中，图4D为在柄-搅拌针单元11上的交替的左旋螺纹12b和右旋螺纹12a，其中汇合点33位于这两种类型螺纹之间。平坦部区域34横跨这两种类型的螺纹，如图4D所示。在一个实施例中，柄-搅拌针单元沿着其整个长度攻有相反的螺纹。在另一实施例中，柄-搅拌针单元仅在设置搅拌针处攻有相反的螺纹，且螺纹沿搅拌针柄的整个长度隔120度或90度加工成平坦部。这些平坦部防止轴肩在与拼合环接合的过程中旋转。
图5A示出了另一实施例，其中，柄-搅拌针单元41为实心。图5B示出了加工到将在FSW搅拌头上使用的轴肩14的开口14a中的平坦部，所述平坦部与柄-搅拌针单元41上的相应平坦部42a接合，以防止焊接过程中轴肩14旋转。轴肩14的开口14a和柄-搅拌针单元41的一个端部42之间的这种紧配合减少了塑化的材料扩散或挤入到轴肩14的内径和柄-搅拌针单元41的外径之间的螺纹连接中，这便于容易地进行各轴肩的组装、拆卸和位置调整。
各轴肩上的开口设计成在焊接操作中在柄-搅拌针单元的螺纹之上滑动并与所述平坦部接合。该开口轴肩的内径上的螺纹一起允许将各轴肩准确布置到它需要沿着柄搅拌针组件所设置并借助于拼合环可靠地紧固到柄-搅拌针单元上的位置。
在一个实施例中，图6A示出了拼合环16如何与轴肩14接合。在此，拼合环16具有攻有螺纹的外径16a和内径16b。拼合环16由两个半部构成。一旦将拼合环16的两个半部组装，则它将拧入到轴肩14的后端中。轴肩14的内径14b(图8所示)上的螺纹接触拼合环16的外径16a上的螺纹。拼合环16的内径16b上的螺纹拧到柄-搅拌针单元11的外径11a(图8所示)的螺纹上。如图6B的箭头A所示，旋转拼合环16，以将轴肩13和14接合至柄-搅拌针11上的外径螺纹。可选择地，在另一实施例中，通过采用的一组螺钉，可以进一步紧固拼合环16的两个半部，如图7B所示。
图7A、图7B和图7C示出根据本发明一实施例将轴肩14组装到柄-搅拌针单元11上，其中拼合环16借助一组螺钉47而紧固至柄-搅拌针单元。首先，轴肩14在柄搅拌针11之上滑动，在此它应相对于搅拌针(轴肩13和14直接之间)固定，以用于焊接。随后，组装拼合环16的两个半部并围绕柄-搅拌针单元11和轴肩14的远端拧上。可选择地，在另一实施例中，随后将两个螺钉47插入并如箭头B所示拧紧，以将拼合环16紧固至柄-搅拌针单元11。
在一个实施例中，图8示出了FSW搅拌头10的搅拌摩擦焊模块48的剖视图，其示出了柄-搅拌针单元11、轴肩13及14和拼合环16之间的关系。在此，用于积聚来自于搅拌摩擦焊的塑化的材料的凹穴49示出在轴肩14的后面和拼合环16的前面之间。还存在有可选的渐缩管螺纹界面37，以助于将拼合环锁定至柄-搅拌针单元。
张力杆的加载机构和推力轴承/回旋部可以以各种方式放置在FSW的端部上。在一个实施例中，张力杆加载机构可以与FSW搅拌头的驱动端上的回旋部组合。在另一实施例中，张力杆的加载机构和回旋部可处于FSW搅拌头的驱动端，但是彼此分开。在再一实施例中，加载机构可以处于所述驱动端，而回旋部处于柄-搅拌针单元的另一端。
在一个实施例中，图9示出了两个相对的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头50，用于同时分别焊接两个平行接头。
在一个实施例中，图10示出了图9的剖视图，其示出两个相对的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头50，用于同时焊接两个平行接头，各带有内部张力杆19。在另一实施例中，柄-搅拌针单元可为实心，从而不存在沿柄-搅拌针单元的整个长度设置的任何内部张力杆。
在一个实施例中，图11示出两个相对的多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头50，其同时焊接分别在工件53和54之间的两个平行接头。
存在着许多不同类型的扭矩分离传送机构，其可以用于同时且同步驱动两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头。图12A、图12B、图12C和图12D示出了扭矩分离传送机构的实例，这种类型的扭矩分离传送机构能用于同时且同步地驱动两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头。此外，在另一实施例中，两个多轴肩线轴式搅拌摩擦焊搅拌头可以被两个伺服驱动电机同时且同步驱动，如图13所示。
在图14中以剖视图示出的本发明的一个实施例100，提供了以背对背定向放置的两个整体式搅拌针-轴肩单元52A、52B。多轴肩FSW搅拌头100由两对不同的可为柱形且中空(具有例如穿过其的钻孔)的整体式(即非分离式)轴肩-搅拌针单元52A、52B构成，它们通过连接器51以相对定向(例如轴肩背63对轴肩背64)而连接在一起。连接器51具有带螺纹端部66和68的外径(OD)60，螺纹端部66和68分别拧到整体式轴肩-搅拌针单元52A、52B的轴肩部52C、52D的内径(ID)螺纹70和72上，以形成FSW搅拌头100的上FSW搅拌头部分100A。OD/ID螺纹对66、70和68、72设计有相反的螺纹(例如，一组为左旋螺纹，而另一组为右旋螺纹)，以在搅拌摩擦焊过程中，随着搅拌头100旋转而形成自锁机构(即在操作过程中相反螺纹拧紧)。整体式轴肩-搅拌针单元52A为整体式构件，包括两个轴肩74、76和中空搅拌针80，中空搅拌针80置于轴肩74、76之间，以连接轴肩74、76。中空搅拌针80具有预定长度L，其限定了工件53能被焊接的最大工件厚度T(以透视图示出)。中空搅拌针长度L必须稍大于工件厚度T，以允许塑化的金属围绕中空搅拌针80流动。
整体式轴肩-搅拌针单元52B为整体式部件，包括：轴肩52D，带有单个轴肩78和螺纹内径72；以及中空搅拌针25，带有螺纹外径端25A。螺纹外径端25A能插入到整体式轴肩/柄17的孔17A中并拧到孔17A的螺纹内径端部17B中，以形成FSW搅拌头100的下FSW搅拌头部分100B。外径端25A和内径端部17B的螺纹设计成使得轴肩/柄17的度数或角位移的预定旋转将使整体式轴肩-搅拌针单元52B纵向行进到轴肩/柄17中预定线性距离或从轴肩/柄17中出来预定线性距离，以在轴肩/柄17的轴肩78和轴肩部82之间设定间隙G。整体式搅拌针-轴肩单元52B(带有轴肩/柄17的孔17A的螺纹端25A和螺纹内径端部17B)的这种布置提供了间隙或搅拌针工作表面控制机构以使得间隙G可等于、大于或小于整体式搅拌针-轴肩单元52A的搅拌针80的长度L。由此，本发明不限于同时焊接相同厚度的多个平行工件。
上述FSW搅拌头100的再一实施例可包括带有螺纹内径(ID)84A的拧紧螺母84，拧紧螺母84拧到外径端25A上并与轴肩/柄端17C形成邻接关系，以旋转锁定轴肩/柄17，在此，在FSW过程中操作扭转载荷引起间隙G变化。
包括三(3)个或更多的搅拌针部分的搅拌头100的其他实施例(未示出)可通过一系列连接器51来形成，所述连接器拧入到整体式轴肩-搅拌针单元52A的远端52E的螺纹内径52F(未示出)中。
FSW搅拌头100的另一实施例可包括张力杆19(上面详细讨论)，张力杆19插入到整体式轴肩-搅拌针单元52A的远端52E中、穿过整体式轴肩-搅拌针单元52A、52B的钻孔62，以使张力杆19的近端19A延伸穿过轴肩/柄端17C以及拧紧螺母84的端部84B(当采用拧紧螺母84时)。张力杆19可减少作用到整个FSW搅拌头100上的压缩组件载荷，从而使得FSW搅拌头100的工作表面(例如轴肩74、76、78和搅拌针62)的交变应力范围降低，以通过使搅拌头更经得住周期性折曲和扭转型载荷的组合，赋予搅拌头100特别的耐用性(例如，低周期性疲劳，高周期性疲劳以及裂纹扩张)。如图3A和图3B所示以及上述讨论的，张力杆19可在轴肩/柄17的轴肩/柄端17C处于受拉状态。张紧机构包括座圈/支座21和环挡圈22，在座圈/支座21和环挡圈22下方设置有位于其间的拼合环16、垫圈27以及多个盘簧23，如图3A所示。仅举例而言，座圈/支座21和盘簧23可分别为BellevilleTM座圈/支座和BellevilleTM盘簧。
为了将张力杆19从所述搅拌头的中空搅拌针的扭转型“扭转”上断开，回转机构90设置在搅拌头100的远端100C处，远端100C与近端100D相对，基于BellevilleTM垫圈23的杆张紧机构位于近端100D。回转机构90包括将推力轴承26保持在合适位置的推力轴承18。推力轴承18包括凹部92，以安放张力杆19的远端94。远端94具有直径D1，直径D1大于张力杆19的轴96的直径D2。推力轴承26的目的之一在于在FSW操作过程中，当扭转载荷超过双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的轴肩74、76或搅拌针80的疲劳能力或单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的轴肩78或搅拌针25的疲劳能力时，使内部张力杆19从搅拌针所经受的扭转脱离并释放。
在一个实施例中，图15A和图15B示出捕获调整螺母56如何连接至轴肩14。在此，捕获调整螺母56具有无螺纹外直径56a和螺纹内直径56b。捕获调整螺母56的内径56b上的螺纹拧到柄-搅拌针单元41的外径41a上，且同时它插入到轴肩14的无螺纹内径14b1中，如图15B所示。捕获调整螺母56的外直径具有设计成“容置”螺钉58的端部的光滑槽58a。随着捕获调整螺母56沿搅拌针41被转动并由此随着它沿搅拌针41的轴线纵向移动轴肩41，螺钉58可在槽58a中自由转动/滑动。随后，螺钉58拧入到轴肩14的壁中的基本径向的调节螺钉孔99A中，到达螺钉端放置于光滑槽58a中的位置处。
图15A和图15B还示出捕获调整螺母57如何连接至利带有一体式轴肩的驱动柄55。在此，捕获调整螺母57具有无螺纹外直径57a和螺纹内直径57b。捕获调整螺母57拧到搅拌针41上的外直径41A螺纹上，且同时它插入到驱动柄-轴肩55的无螺纹内径55A中，如图15B所示。捕获调整螺母57的外直径具有设计成“容置”螺钉58的端部的光滑槽58a。随着捕获调整螺母57沿搅拌针41被转动并由此随着它沿着搅拌针41的轴线纵向移动柄-轴肩55，螺钉58可在槽58a中自由转动/滑动。随后，螺钉58拧入到柄-轴肩55的壁中的基本径向的调节螺钉孔99B中，到达螺钉端放置于光滑槽58a中的位置处。
可调整驱动柄-轴肩55和轴肩14的这种布置保证了通过旋转捕获调整螺母57，其中捕获调整螺母57沿着柄-搅拌针单元41的螺纹外直径41A移动，同时随着它移动柄-轴肩55，柄-轴肩55内径为无螺纹的且通过两搅拌针连接至调整螺母57，两搅拌针在螺母57的外直径上的槽58a中滑动，而改变位于两个轴肩14和55之间的限定搅拌针部的工作表面长度的空间S，如图15B箭头C所示。空间S稍大于工件的厚度T(以透视图示出)，以允许塑化的金属在搅拌针工作表面87周围流动。螺纹拧紧螺母59可拧在位于柄-搅拌针单元41的两端上的外直径41A上，并邻接捕获调整螺母56、57，以分别旋转锁定轴肩14和一体式轴肩55，在此，在FSW过程中，操作扭转载荷引起空间S变化。
尽管以上已经详细说明了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将意识到，按照本说明书的整体教导，可对那些细节进行各种修改和替代。相应地，针对本发明的范围，所披露的特定布置意为仅是示例性而不是限制性的，本发明的范围将具有随附权利要求的全部范围及其任意和全部等同范围。

Claims (27)

1.一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，包括：
双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元，具有：一对相对定向的轴肩，带有设置在其间的具有预定长度的搅拌针部；以及钻孔，穿过所述一对相对定向的轴肩和所述搅拌针部，其中，所述一对相对定向的轴肩的各轴肩包括其内具有凹部的端部，其中至少一个凹部攻有螺纹；
单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元，具有轴肩、搅拌针部以及穿过轴肩和搅拌针部的钻孔，其中，轴肩包括其内具有螺纹凹部的端部，其中，搅拌针部的一部分攻有螺纹；
连接器，具有第一螺纹端、第二螺纹端以及穿过其的钻孔，其中，第一螺纹端能与双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的螺纹凹部操作配合，而第二螺纹端能与单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的螺纹凹部操作配合；以及
整体式轴肩/柄单元，具有轴肩和穿过其的钻孔，其中，钻孔的一部分攻有螺纹并能与搅拌针的螺纹部操作配合，从而使得当单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元相对于整体式轴肩/柄单元旋转时，在整体式轴肩/柄单元的轴肩和单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的轴肩之间形成可调整间隙，
由此能同时焊接具有相同或不同厚度的多个工件。
2.根据权利要求1所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括：(i)张力杆，其操作地连接至双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的搅拌针部和单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的搅拌针部，以在将张力杆置于受拉状态下时施加压缩载荷于所述搅拌针部上；以及(ii)张力杆载荷施加机构，其连接至张力杆，以将张力杆置于受拉状态。
3.根据权利要求1所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括连接器自锁机构。
4.根据权利要求3所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，连接器自锁机构包括使连接器的第一螺纹端和双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的螺纹凹部的螺纹方向与连接器的第二螺纹端的和单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的螺纹凹部螺纹方向相反，从而使得随着多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头在搅拌摩擦焊操作过程中旋转，连接器在双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元和单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元内拉紧。
5.根据权利要求2所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括扭矩释放机构，所述扭矩释放机构操作地连接至张力杆和双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元，以在扭转载荷超过双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元或单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的疲劳能力时，将张力杆从双轴肩整体式轴肩-搅拌针单元上脱开。
6.根据权利要求1所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括锁定螺母，所述锁定螺母拧到单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元的搅拌针部的螺纹部上，与单轴肩整体式轴肩-搅拌针单元形成邻接关系。
7.一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，包括：
具有直径和长度的外螺纹实心搅拌针；
轴肩，其具有稍比外螺纹实心搅拌针的直径大的无螺纹内径以及至少一个基本径向的螺纹调节螺钉孔；
整体式轴肩-柄，其具有稍比外螺纹实心搅拌针的直径大的无螺纹内径以及至少一个基本径向的螺纹调节螺钉孔；
一对锁定螺母，其具有能与外螺纹实心搅拌针操作配合的无螺纹外径和螺纹内径，
其中，轴肩和整体式轴肩-柄能沿外螺纹实心搅拌针的长度与外螺纹实心搅拌针可滑动地接合，以设定一比待焊接工件的厚度稍大的空间。
8.根据权利要求7所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括锁定螺母，所述锁定螺母拧到外螺纹实心搅拌针上，与轴肩形成邻接关系。
9.根据权利要求7所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括锁定螺母，所述锁定螺母拧到外螺纹实心搅拌针上，与整体式轴肩-柄形成邻接关系。
10.根据权利要求7所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括基本径向的调节螺钉，所述基本径向的调节螺钉将轴肩和整体式轴肩-柄连接至所述一对锁定螺母。
11.一种多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，包括：
一体式柄-搅拌针单元，其具有在柄-搅拌针单元上的多个搅拌针部，其中，多个搅拌针部用于驱动进入多个接头中，以在相应多个接头上进行搅拌摩擦焊操作，而且其中，柄-搅拌针单元的柄部用于连接可选的轴向张力杆；
多个搅拌摩擦焊模块，每个搅拌摩擦焊模块包括：
一对轴肩，其连接至柄-搅拌针单元，其中各轴肩具有远端和近端，其中各轴肩的近端面向柄-搅拌针单元的搅拌针部，由此轴肩和搅拌针一起旋转；以及
一对拼合环或一对螺母，其连接至柄-搅拌针单元并面向各轴肩的远端；
其中，所述多个搅拌摩擦焊模块彼此连接，由此，所述多个模块一起旋转，以同时形成多个平行焊缝。
12.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，所述轴向张力杆置于柄-搅拌针单元的柄部内。
13.根据权利要求12所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，所述柄-搅拌针单元包括加载装置，用于将轴向张力杆置于受拉状态而将柄-搅拌针置于受压状态。
14.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，所述柄-搅拌针单元具有无螺纹端，其具有至少两个沿柄-搅拌针单元长度的平坦部。
15.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，各轴肩具有开口以便于与柄-搅拌针单元上的螺纹接触。
16.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括，各拼合环具有螺纹外径和螺纹内径，通过将所述环的外径拧入到轴肩内径上的螺纹上并将所述环的内径拧到柄-搅拌针单元外径上的螺纹上，而将拼合环连接至柄-搅拌针单元。
17.根据权利要求16所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，各拼合环还通过螺钉连接至或拧紧到柄-搅拌针单元。
18.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，还包括，各螺母具有螺纹外径和螺纹内径，通过将螺母的外径拧入到轴肩内径上的螺纹上并将螺母的内径拧到柄-搅拌针单元外径上的螺纹上，而将螺母连接至柄-搅拌针单元。
19.根据权利要求18所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，各螺母还通过螺钉连接至或拧紧到柄-搅拌针单元。
20.根据权利要求19所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，各螺母还通过锁紧螺母连接至柄-搅拌针单元。
21.根据权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，轴肩能为带一体式轴肩的驱动柄。
22.根据权利要求13所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，用于将轴向张力杆置于受压状态的所述加载装置为轴承，所述轴承置于柄-搅拌针单元端部中，用于在搅拌摩擦焊操作过程中脱开并释放由柄-搅拌针单元的搅拌针部经受的扭矩。
23.根据权利要求16所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，轴肩的远端和环的螺纹外径形成小凹穴，以防止塑化的材料从接头流出。
24.一种同时搅拌摩擦焊多个接头的方法，包括采用至少一个根据权利要求11的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头。
25.如权利要求24所述的方法，其中，两个多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头由旋转分离传送系统同时驱动。
26.如权利要求24所述的方法，其中，两个多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头由两个同步伺服控制电机同时驱动。
27.如权利要求11所述的多轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其中，所述柄-搅拌针由实心杆制成。
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