用于摩擦搅拌接合和电阻焊接的接合装置及接合方法与流程

1.本发明涉及用于摩擦搅拌接合和电阻焊接的接合装置及接合方法。


背景技术：

2.已知电阻焊接和摩擦搅拌接合是用于结合多个金属板构件的环境友好的处理，因为这些处理排放相对少量的气体，并且对空气质量造成非常小的影响。特别地，优选摩擦搅拌接合，因为该处理需要相对少量的电力。
3.当通过电阻焊接结合三个或更多个由不同材料制成的金属板构件时，为了防止电解腐蚀，通常结合使用接合剂。然而，难以防止接合剂固有的缺陷，并且在没有高度严格的预防措施的情况下，不能长时间保持稳定的接合强度。当需要高水平的可靠性时，必须结合使用铆钉。摩擦搅拌接合适合于结合由不同材料制成的两个金属板构件，但是由于有效搅拌的材料的有限范围，可能不适合于结合三个或更多个金属板构件。例如，当铝板构件和一对钢板构件通过摩擦搅拌接合而结合时，上部的两个构件(例如铝板构件和钢板构件)可以适当地结合，但是第三构件或最下层可能不适当地结合到另外两个构件。
4.jp2005-111489a公开了一种通过组合两种接合技术来结合三个或更多个金属构件的方法，所述金属构件包括由不同材料制成的金属构件。根据该现有技术，铝构件、钢构件和包含铝层和钢层的包覆构件通过摩擦搅拌接合将铝构件结合到包覆构件的铝层而彼此结合，并且通过使用热固性接合剂同时结合钢构件和包覆构件的钢层，所述热固性接合剂通过摩擦搅拌接合的摩擦热而固化。然而，该方法需要在待结合的构件之一中存在包覆构件。
5.在jp2007-237253a中公开的处理中，一对构件彼此抵靠，并且通过摩擦搅拌接合彼此结合，并且第三构件通过使用熔焊或电阻焊接结合到接合部分。
6.当包括由不同材料制成的三个或更多个金属构件时，需要结合两种或更多种不同的结合方法。根据现有技术，整个结合过程必须在多个步骤中进行，并且必须使用两个或更多个不同的结合装置，结果必须延长生产线，并且需要大量的投资。
7.鉴于现有技术的这些问题，本发明的主要目的是提供用于结合三个或更多个构件的接合装置和接合方法，所述接合装置和接合方法允许减少接合过程所需的时间，并减少生产设备的费用。本发明可以有助于最小化对空气的环境影响，并提高生产设备的能量效率。


技术实现要素：

8.为了实现该目的，本发明的一个方面提供了一种用于将第一构件3、中间构件4 和第二构件5结合在一起的接合装置1、51，所述第一构件、所述中间构件和所述第二构件是导电的，沿着规定的主平面延伸，并且以此顺序层叠为层压组件2，所述接合装置包括：砧座111、121，所述砧座设置有用于支撑所述层压组件的由所述第一构件提供的第一表面的砧座接触表面112、122，所述砧座接触表面包括电绝缘区域 113、123和导电区域114、124；探
头12、41、52，所述探头在对应于所述探头的位置处与所述层压组件的由所述第二构件提供的第二表面7相对，并且被配置为绕与所述主平面交叉的中心轴线旋转并且朝向和远离所述第二构件移动；驱动机构14、54，所述驱动机构被配置为使所述探头绕所述中心轴线旋转并且使所述探头沿着所述中心轴线朝向和远离所述第二构件移动；电源15，所述电源电连接到所述砧座和所述探头以经由所述砧座和所述探头传导电流通过所述层压组件；以及控制单元16，所述控制单元用于控制所述驱动机构和所述电源的操作，使得所述第一构件和所述中间构件通过电阻焊接彼此结合，并且所述第二构件和所述中间构件通过摩擦搅拌接合彼此结合。
9.根据本发明的该方面，由于用于摩擦搅拌接合的砧座和探头另外用作电阻焊接的电极，所以可以降低设备成本，可以减小设备尺寸，并且可以减小生产线的长度。此外，由于可以同时进行摩擦搅拌接合和电阻焊接，因此可以减少处理时间。
10.为了实现该目的，本发明的另一方面提供了一种用于将第一构件3，中间构件4 和第二构件5结合在一起的接合装置1、51，所述第一构件、所述中间构件和所述第二构件是导电的，沿着规定的主平面延伸，并且以此顺序层叠为层压组件2，所述接合装置包括：砧座111、121，所述砧座设置有用于支撑所述层压组件的由所述第一构件提供的第一表面的砧座接触表面112、122，所述砧座接触表面包括电绝缘区域113、123和导电区域114、124；探头12、41，所述探头在对应于所述探头的位置处与所述层压组件的由所述第二构件提供的第二表面7相对，并且被配置为绕与所述主平面交叉的中心轴线旋转并且朝向和远离所述第二构件移动；肩部构件13、13a、61、 64、68，所述肩部构件设置有用于接收所述探头的通孔20、20a和被配置为抵靠所述第二表面的肩部接触表面24、24a，所述肩部构件至少部分地导电；驱动机构14，所述驱动机构被配置为使所述探头绕所述中心轴线旋转并且使所述探头沿着所述中心轴线朝向和远离所述第二构件移动；电源15，所述电源电连接到所述砧座和所述肩部构件以经由所述砧座和所述肩部构件传导电流通过所述层压组件；以及控制单元 16，所述控制单元用于控制所述驱动机构和所述电源的操作，使得所述第一构件和所述中间构件通过电阻焊接彼此结合，并且所述第二构件和所述中间构件通过摩擦搅拌接合彼此结合。
11.根据本发明的该方面，由于用于摩擦搅拌接合的砧座和肩部构件另外用作电阻焊接的电极，所以可以降低设备成本，可以减小设备尺寸，并且可以减小生产线的长度。此外，由于可以同时进行摩擦搅拌接合和电阻焊接，因此可以减少处理时间。
12.优选地，所述肩部构件设置有凹部25、25a，所述凹部相对于所述肩部接触表面凹入，以便限定与所述第二表面相对的底表面26、26a并且部分地接收所述探头。
13.由于凹部的存在，肩部接触表面可形成为环形形状，或分布在径向外部区域中，使得熔核分布在径向外部区域中。结果，可以提高熔核提供的接合强度。
14.优选地，所述电绝缘区域113居中地设置在所述砧座接触表面112上。
15.因此，熔核形成在径向外部区域中，从而提高接合强度并且有利地分散结合时的应力。
16.优选地，所述导电区域114绕所述电绝缘区域113以环形形状设置在所述砧座接触表面112上。
17.因此，熔核以环形形状形成在径向外部区域中，从而提高接合强度并且有利地分
散结合时的应力。
18.优选地，所述导电区域124作为多个区段设置在所述砧座接触表面112上，所述多个区段通过所述电绝缘区域123的一部分彼此隔离和分离。
19.由于导电区域被分成多个隔离的区段，所以熔核形成为一组相互分离的区段，从而特别有利地分散结合时的应力。
20.因此，本发明提供用于结合三个或更多个构件的接合装置和接合方法，所述接合装置和接合方法允许减少接合过程所需的时间，并减少生产设备的支出。
附图说明
21.图1是示出根据本发明第一实施方式的接合装置的竖直截面图；
22.图2a至图2c示出了接合装置中电绝缘的不同示例；
23.图3a示出了图1所示的接合装置的肩部构件的截面图和平面图；
24.图3b示出了类似于图3a所示的改进的肩部构件；
25.图4a至图4e是示出根据本发明第一实施方式的接合方法的不同阶段的图；
26.图5是类似于图1的视图，示出了根据本发明第二实施方式的接合装置；
27.图6是类似于图1的视图，示出了根据本发明第三实施方式的接合装置；
28.图7是示出根据本发明第三实施方式的接合装置的探头的修改示例的局部竖直截面图；
29.图8a至图8d是示出根据本发明第三实施方式的肩部构件的不同示例的局部截面图；
30.图9a至图9d是根据本发明的第三实施方式的接合装置的截面图，该接合装置设置有砧座的不同示例：
31.图10a至图10e是示出使用本发明第三实施方式的接合装置的接合方法的不同阶段的图；
32.图11a至图11c是示出使用第三实施方式的接合装置的改进的接合方法的不同阶段的图；
33.图12是可用于第一实施方式至第三实施方式的任何接合装置的改进的砧座；
34.图13a是示出第1-2实施方式的砧座的变型的竖直截面图；
35.图13b是示出第3-2实施方式的砧座的变型的竖直截面图；
36.图14a是本发明的第一实施方式至第三实施方式的砧座的变型；以及
37.图14b是使用图14a所示的砧座生产的熔核的水平截面图。
具体实施方式
38.下面将参考附图描述本发明的优选实施方式。图1是根据本发明第一实施方式的接合装置1以及由接合装置1处理的层压组件2的竖直截面图。在下面的描述中，层压组件2沿着水平面(主平面)延伸，并且接合装置1在竖直方向上向下施加到该层压组件2，但是该取向仅仅是示例性的，并且本发明可以应用于在任何期望的方向上和从任何期望的方向定向的工件，例如横向地、向上地和倾斜地，而不脱离本发明的范围。
39.层压组件2包括第一构件3、中间构件4和第二构件5，它们都由导电板构件组成，并
且在水平主平面上按此顺序层叠。层压组件2具有由第一构件3的下表面(最下层)提供的第一表面6和由第二构件5的上表面(最上层)提供的第二表面7。在另一实施方式中，层压组件2还包括在第一构件3下侧的附加构件，该附加构件由与第一构件3相同或类似的材料制成。
40.在该实施方式中，第一构件3和中间构件4由相同材料或类似材料制成，而第二构件5由与第一构件3和中间构件4不同或不类似的材料制成。第一构件3和中间构件4的材料具有比第二构件5的材料更高的强度和更高的电阻。例如，第一构件3 和中间构件4可以由铁合金(钢)构成，而第二构件5由铝合金、镁合金或铜合金构成。或者，第一构件3和中间构件4可由钛合金构成，而第二构件5由铝合金、镁合金或铜合金构成。此外，第一构件3和中间构件4可以由铝合金构成，而第二构件5 由铜合金构成。
41.接合装置1包括：砧座11，其被配置为支撑层压组件2的第一表面6；探头12，其定位在砧座11上方；环形肩部构件13，其定位在砧座11上方并围绕探头12；驱动机构14，其用于驱动砧座11、探头12和肩部构件13，如下文将描述的；电源15，其用于在探头12和砧座11之间传导电流，探头12和砧座11将层压组件2插入其间；以及控制单元16，其控制驱动机构14和电源15的操作。
42.砧座11由导电材料制成，并具有抵接在层压组件2的第一表面6上的砧座接触表面17。
43.探头12设置在可旋转构件18的自由端(下端)部分中，该可旋转构件18可绕中心轴线旋转并且具有绕中心轴线旋转对称的形状。探头12沿着中心轴线延伸，并且优选地具有圆柱形形状，该圆柱形形状的直径小于可旋转构件18的基端部分19 的直径。探头12由诸如钢、陶瓷、硬质合金等硬质材料制成。
44.如图1所示，肩部构件13具有绕中心轴线旋转对称的形状。肩部构件13具有：探头支撑部21，其具有以中心轴线为中心的通孔20；凸缘22，其从探头支撑部21 径向向外延伸；以及环形侧壁部23，其从探头支撑部21的下表面向下突出，与中心轴线同心。探头12穿过通孔20。通孔20的上端形成为锥形的埋头孔。通孔20的下部(主要部分)的内径略大于探头12的外径，并且当探头12绕中心轴线旋转时，通孔20的内周表面可以与探头12的外周表面滑动接触。侧壁部23的内径基本上大于探头12的外径，使得侧壁部23的内周表面与探头12的外周表面同心地分开。侧壁部23的内周表面可以朝向其下端以锥形扩口，但也可以大致平行于轴向方向。侧壁部23的下表面形成肩部接触表面24，该肩部接触表面24可以抵接在层压组件2的第二表面7上。因此，凹部25由探头支撑部21的与层压组件2的第二表面7相对的下表面和侧壁部23的内周表面限定，并且凹部25相对于肩部接触表面24凹入。肩部构件13可以由诸如铜合金(铬铜、分散有氧化铝的铜、钨铜合金等)、导电陶瓷、硬质合金等的硬质材料制成。
45.如图1所示，驱动机构14包括用于使砧座11竖直移动的砧座驱动机构27、用于使包括探头12的可旋转构件18绕中心轴线旋转的旋转驱动机构28、用于使探头 12沿着中心轴线前进/后退的前进/后退驱动机构29以及用于使肩部构件13竖直移动的肩部驱动机构30。
46.电源15电连接到第一端子31和第二端子32。第一端子31电连接到砧座11，第二端子32电连接到可旋转构件18(各自通过滑动接触机构或柔性电缆)。砧座11至少部分地导电，从而电流可经由第一端子31供应到砧座接触表面17，并且可旋转构件18至少部分地导电，从而电流可经由第二端子32供应到探头12的梢端。
47.下面将参照图4a至图4e描述图1所示的接合装置1在处理层压组件2时的操作模式。
48.如图4a所示，第一构件3、中间构件4和第二构件5放置在砧座11上，并且探头12和肩部构件13定位在第二表面7上方。探头12和肩部构件13向下移动，以便在控制单元16的控制下通过使用驱动机构14使层压组件2抵靠砧座11，准备进行摩擦搅拌点接合和电阻点焊，如下所述。
49.如图4b所示，砧座11从下面挤压层压组件2的第一表面6，肩部构件13从上面挤压层压组件2的第二表面7。当层压组件2被压在砧座11和肩部构件13之间时，探头12绕中心轴线旋转，并从第二表面7的侧面前进到层压组件2中。
50.如图4c所示，探头12的梢端插入到第二构件5中，并且这使得第二构件5变形，使得从其推开的第二构件5的材料移位到肩部构件13的凹部25中。由于旋转探头12产生的摩擦热，围绕探头12的第二构件5的材料变成塑性流体，并且绕探头 12产生环形塑性流体区域。一旦探头12的梢端到达中间构件4，控制单元16使电流在探头12和砧座11之间流动。探头12的梢端的位置可以通过探头12的向下行程、探头12进入层压组件2的插入压力(插入载荷)、探头12的旋转载荷或上述的任何组合来检测或管理。
51.如图4d所示，当电流在探头12和砧座11之间流动时，探头12保持旋转并进一步向下移动，并且探头12的梢端插入到中间构件4中。结果，在第一构件3和中间构件4中产生的电阻热和由探头12的旋转产生的摩擦热导致在第一构件3和中间构件4中或之间产生熔化区域34。同时，使探头12附近的第二构件5和中间构件4 的材料的一部分塑性地流动。特别地，材料的被进一步推离探头12的部分被冷却并且变成相对较少的流体，但是在来自材料的更多流体部分的压力下被推离探头12。结果，在中间构件4的围绕探头12的部分中产生径向向外和向上突出的钩35。钩35 因此具有朝其前端(上端)张开的冠状形状，并且倾斜地延伸到或楔入到第二构件5 的材料中。
52.如图4e所示，控制单元16(见图1)停止在探头12和砧座11之间供应电流，并使探头12在旋转的同时沿着轴线后退。此外，砧座11和肩部构件13远离层压组件2移动。当电流停止并且探头12移开时，熔化区域34(见图4d)凝固以形成熔核33，熔核33将第一构件3和中间构件4牢固地彼此结合。此外，由于钩35形成在已经通过探头12的旋转而塑性地流动的第二构件5和中间构件4中，因此第二构件5和中间构件4也牢固地彼此结合。
53.图2c示出了电流的分布，该电流由电源15供应到探头12，并且当探头12的梢端从第二表面7被推入层压组件2中时，该电流经由层压组件2流到砧座11。阴影 (灰色)箭头表示探头12的向下运动，细箭头表示探头12的旋转。粗箭头表示电流的流动。由于该电流，熔核33形成在第一构件3和中间构件4之间，使得第一构件 3和中间构件4彼此结合。然而，一部分电流传导通过肩部构件13，而不是集中在中间构件4和第一构件3中，使得执行电阻焊接的能量效率降低。因此，希望通过使用图2a和图2b所示的布置来消除或减少流过肩部构件13的电流部分。在这些示例的以下描述中，与图2c中的部件相对应的部件用相同的附图标记表示，而不必重复这些部件的描述以避免冗余。
54.在图2a所示的示例中，探头41包括：探头导电部分42，其具有圆柱形形状并且沿着中心轴线同轴地延伸；以及探头绝缘部分43，其设置在探头导电部分42的外周表面上。探头导电部分42的下端表面没有被探头绝缘部分43覆盖，并且暴露出来。因此，当探头41被接收
在肩部构件13的通孔20中时，只有探头绝缘部分43与肩部构件13的通孔20的内周表面滑动接触。探头绝缘部分43防止电流从探头41流到肩部构件13。为了提高探头41的耐磨性，可以在探头绝缘部分43的外周表面上形成附加层(图中未示出)(其可以是导电的或电绝缘的)。另外地或可选地，绝缘层可以形成在肩部构件13的通孔20的内周表面上。
55.在图2b所示的示例中，肩部构件13设置有与图1所示的肩部构件13基本相同的主体45，并且设置有在通孔20的内周表面、环形侧壁部23的下表面和内周表面以及凹部25的底表面26上延伸的肩部构件绝缘层46。肩部构件绝缘层46防止电流从探头41流到肩部构件13。
56.在图2a和图2b所示的示例中，探头导电部分42和主体45可以由铜合金(例如铬铜、分散有氧化铝的铜、钨铜合金等)、导电陶瓷材料、硬质合金等制成。探头绝缘部分43和肩部构件绝缘层46可以由绝缘陶瓷材料、电木(bakelite，注册商标) (酚醛树脂)、云母等制成。
57.由上述接合装置1执行的摩擦搅拌接合是摩擦搅拌点接合，并且肩部构件13的肩部接触表面24有助于接合点的良好外观。图3a更详细地示出了图1所示的接合装置1的肩部构件13。
58.图3b示出了肩部构件13a的替代实施方式。在图3b中，与图3a中对应的部件用相同的附图标记表示，每个数字后面跟着字母“a”。在这种情况下，侧壁部23a是 u形的，使得凹部25a在一侧具有开口，该开口由相对于在线接合时肩部构件13a相对于层压组件2的行进方向在肩部构件13a的后侧的侧壁部23a的一对相互平行的直线部分限定。根据该实施方式，通过使用装配有图3b中所示的肩部构件13a的接合装置1使层压组件2相对于接合装置1沿着水平线移动，层压组件2可以有利的方式沿着线接合。尽管图4a中所示的肩部构件13可用于沿着线进行摩擦搅拌接合，但是图4b中所示的实施方式是有利的，因为凹部25a的开口侧允许层压组件2以相对小的阻力相对于接合装置1移动。侧壁部23a也可包括沿着层压组件2和接合装置1 之间的相对运动延伸的一对相互平行的部分。
59.下面将讨论上述实施方式的各种特征和优点。
60.在上述接合装置1中，用于摩擦搅拌接合的砧座11和探头12可用作电阻点焊的电极，与单独使用摩擦搅拌接合装置和电阻点焊装置的情况相比，接合装置1的成本和尺寸可以最小化。特别地，通过使用上述接合装置1，可以减小生产线的长度，并且可以减少必要的投资量。此外，由于可以同时进行摩擦搅拌接合和电阻点焊，因此可以减少制造过程所需的时间。
61.当电阻焊接不同的材料时，经常产生非常脆的金属间化合物，从而不能获得所需的接合强度。在上述实施方式中，由于可以是不同材料的第二构件5和中间构件4 通过摩擦搅拌接合而不是电阻焊接来结合，因此防止这种金属间化合物降低接合强度。
62.在上述实施方式中，在摩擦搅拌接合中间构件4和第二构件5时由探头12产生的摩擦热有助于中间构件4和第一构件3的电阻焊接，可以降低电阻焊接的能量消耗。在电阻焊接中，已知如果熔化区域34冷却太快，则熔核33的韧性可能降低。在前述实施方式中，由于探头12保持旋转，并且在停止供应用于电阻焊接的电流之后从层压组件2拉出，所以由探头12产生的摩擦热被传导到熔化区域34，从而防止熔化区域34被快速冷却，并且防止熔核33的韧性降低。
63.在图2a和图2b所示的示例中，由于探头绝缘部分43和肩部构件绝缘层46的存在，
完全或显著地防止电流流过肩部构件13，并且电流的非常少的部分流过第二构件5，从而可以避免第二构件5的熔化。结果，可以稳定和改善接合质量，并且可以增强设备的电安全性。
64.图5示出了根据本发明第二实施方式的接合装置51。与第一实施方式的部件相对应的部件用相同的附图标记表示，而不必重复对这些部件的描述。第二实施方式的接合装置51包括砧座11、包括探头52的可旋转构件53、驱动机构54、电源15和用于控制驱动机构54和电源15的操作的控制单元16。驱动机构54包括旋转驱动机构28和前进/后退驱动机构29以及砧座驱动机构27。
65.可旋转构件53整体上可绕中心轴线旋转。可旋转构件53包括具有以中心轴线为中心的大致圆柱形形状的基端部分55以及从主体45的下表面向下延伸的探头52。可旋转构件53基本上完全导电。探头52具有与基端部分55同轴的大致圆柱形形状，并且与基端部分55相比直径减小。探头52优选地在其外周上设置有螺纹或任何其它不规则表面特征。在这种情况下，没有肩部构件。面向下的环形肩部表面56限定在可旋转构件53的基端部分55和探头52之间的边界处。肩部表面56可以具有凸形轮廓，使得径向内部部分与径向外部部分相比是竖直凹入的。探头52可以由诸如铜合金(铬铜、分散有氧化铝的铜、钨铜合金等)、导电陶瓷、硬质合金等硬质材料制成。
66.除了没有肩部构件13之外，第二实施方式的接合装置51的操作模式类似于第一实施方式的操作模式。环形肩部表面56提供凹部，第二构件5的塑性流动材料被转移到该凹部中，类似于第一实施方式的肩部构件13的凹部25(见图1)。
67.将参照图6描述根据本发明第三实施方式的接合装置101。与第一实施方式的部件相对应的部件用相同的附图标记表示，而不必重复这些部件的描述以避免冗余。第三实施方式的接合装置101与第一实施方式的接合装置类似，但与第一实施方式的不同之处在于，电源15电连接到砧座11和肩部构件13，而在第一实施方式中，电源 15电连接到砧座11和探头12。
68.电源15电连接到第一端子31和第二端子32。第一端子31电连接到砧座11，第二端子32电连接到肩部构件13(各自通过滑动接触机构或柔性电缆)。砧座11至少部分地导电，从而电流可经由第一端子31供应到砧座接触表面17，并且肩部构件13 至少部分地导电，从而电流可经由第二端子32供应到肩部接触表面24。
69.下面将参照图10a至图10e描述图6所示的接合装置101在处理层压组件2时的操作模式。
70.如图10a所示，第一构件3、中间构件4和第二构件5放置在砧座11上，并且探头12和肩部构件13定位在第二表面7上方。探头12和肩部构件13向下移动，以便在控制单元16的控制下通过使用驱动机构14使层压组件2压靠砧座11，准备进行摩擦搅拌点接合和电阻点焊，如下所述。
71.如图10b所示，砧座11从下面挤压层压组件2的第一表面6，肩部构件13从上面挤压层压组件2的第二表面7。当层压组件2被压在砧座11和肩部构件13之间时，探头12绕中心轴线旋转，并从第二表面7的侧面前进到层压组件2中。
72.如图10c所示，探头12的梢端插入到第二构件5中，并且这使得第二构件5变形，使得从其推开的第二构件5的材料移位到肩部构件13的凹部25中。由于旋转探头12产生的摩擦热，围绕探头12的第二构件5的材料变成塑性流体，并且绕探头 12产生环形塑性流体区
域。一旦探头12的梢端到达中间构件4，控制单元16就使电流在肩部构件13和砧座11之间流动。探头12的梢端的位置可以通过探头12的向下行程、探头12进入层压组件2的插入压力(插入载荷)、探头12的旋转载荷或上述的任何组合来检测或管理。
73.如图10d所示，当电流在肩部构件13和砧座11之间流动时，探头12保持旋转并进一步向下移动，并且探头12的梢端插入到中间构件4中。结果，在第一构件3 和中间构件4中产生的电阻热和由探头12的旋转产生的摩擦热导致在第一构件3和中间构件4中或之间产生熔化区域34。同时，使探头12附近的第二构件5和中间构件4的材料的一部分塑性地流动。特别地，材料的被进一步推离探头12的部分被冷却并且变成相对较少的流体，但是在来自材料的较多流体部分的压力下被推离探头 12。结果，在中间构件4的围绕探头12的部分中产生径向向外和向上突出的钩35。钩35因此具有朝其前端(上端)张开的冠状形状，并且倾斜地延伸到或楔入到第二构件5的材料中。
74.如图10e所示，控制单元16(见图1)停止在肩部构件13和砧座11之间供应电流，并使探头12在旋转的同时沿着轴线后退。此外，砧座11和肩部构件13远离层压组件2移动。当电流停止并且探头12移开时，熔化区域34(见图10d)凝固以形成熔核33，熔核33将第一构件3和中间构件4牢固地彼此结合。此外，由于钩35 形成在已经通过探头12的旋转而塑性地流动的第二构件5和中间构件4中，因此第二构件5和中间构件4也牢固地彼此结合。
75.图7示出了本发明的修改实施方式，其与图6所示的实施方式的不同之处在于探头12的结构。在该修改的描述中，相应的部件用相同的附图标记表示，而不必重复这些部件的描述以避免冗余。在图7所示的修改实施方式中，探头12沿着中心轴线延伸，并具有与图6所示的实施方式类似的圆柱形形状，但不同之处在于包括探头导电部分42和由电绝缘材料制成的探头绝缘部分43。探头41在探头绝缘部分43的外周表面处与肩部构件13的通孔20的内周表面滑动接触。因此，防止电流在探头41 和肩部构件13之间流动，从而可以提高电阻焊接的能量效率。
76.图8a示出了在图6所示的实施方式中使用的肩部构件13，而图8b至图8d示出了其不同的变型。图8a所示的肩部构件13完全由导电材料制成。在图8b所示的肩部构件61的情况下，其包括凸缘22和环形侧壁部23的外周部分62由导电材料制成，并且其包括形成有通孔20的探头支撑部21的中央环形部分63由电绝缘材料制成。第二端子32与导电的凸缘22的外周表面滑动接触，并且探头12通过探头支撑部21与凸缘22电绝缘。在图8c所示的肩部构件64的情况下，其包括凸缘22和环形侧壁部23的外周部分66由导电材料制成，并且其包括形成有通孔20的探头支撑部21的中央部分包括由电绝缘材料制成的外环部分67和由导电材料制成的内环部分 65。因此，限定通孔20的内环部分65由诸如金属材料的导电材料制成，但是内环部分65通过外环部分67与肩部构件64的外周部分66电绝缘。第二端子32再次与导电的凸缘22的外周表面滑动接触，并且探头12通过探头支撑部21的外环部分67 与凸缘22电绝缘。图8d所示的肩部构件68与图8c所示的肩部构件相似，并且其包括凸缘22和环形侧壁部23的外周部分69由导电材料制成，其包括形成有通孔20 的探头支撑部21的中央部分包括由电绝缘材料制成的外环部分70和由导电材料制成的内环部分65。在这种情况下，外环部分70具有增加的径向厚度，以便占据环形侧壁部23的较大部分，从而通过适当地选择外环部分70的材料，可以增加环形侧壁部 23的刚性和机械强度。
77.在图7和图8b至图8d所示的修改实施方式中，导电部分可以由铜合金(例如铬铜、
分散有氧化铝的铜、钨铜合金等)、导电陶瓷材料、硬质合金等制成，并且电绝缘部分可以由绝缘陶瓷材料、电木(bakelite，注册商标)(酚醛树脂)、云母等制成。
78.由上述接合装置101执行的摩擦搅拌接合是摩擦搅拌点接合，并且肩部构件13 的肩部接触表面24有助于接合点的良好外观。图3a更详细地示出了图6所示的接合装置1的肩部构件13。通过应用图3b所示的肩部构件13a，第三实施方式的接合装置101可用于线接合。
79.图9a至图9d示出了取决于砧座11的配置的电流的不同模式。这些图中的箭头表示电流的流动。砧座11和探头12通常为圆柱形形状，并以同轴关系定位。图9a 所示的砧座11具有与探头12基本相同或稍大的直径。由于层压组件2和砧座11之间的接触面积相对较小，层压组件2从砧座11接收相对较强和稳定的压力，并且电流流过层压组件2的相对有限的区域。图9b所示的砧座11b具有介于肩部接触表面 24(侧壁部23)的内径和外径之间的较大直径。由于电流流过层压组件2的相对较大的区域(相对较大的径向范围)，因此产生相对较大的熔核33。图9c所示的砧座 11c包括中央部分71和外周部分72。中央部分71由比外周部分72更刚性或更硬的材料制成。根据该实施方式，当压靠层压组件2时砧座11c的变形可以减小。中央部分71的外部轮廓可以大于肩部接触表面24的内部轮廓。图9d所示的砧座11d包括中央部分71和外周部分72。中央部分71由刚性或硬度比外周部分72小的材料制成。根据该实施方式，外周部分72优选地压靠层压组件2，使得电流优选地流过层压组件2的径向外部区域(或围绕中心轴线的环形区域)。
80.图11a至图11c示出了通过使用图6所示的接合装置101以与图10a至图10e 所示的方式略微不同的方式执行的接合过程。在这种情况下，如图11a所示，在探头12的梢端与层压组件2的第二表面7接触之前或同时，在肩部构件13和砧座11 之间供应电流。由于由电流产生的电阻热在层压组件2的较宽范围(第二构件5的邻接探头12和肩部构件13的区域)内产生，并且第二构件5的由电阻热软化的部分的尺寸增大，使得探头12可以以较小的电阻和/或以较高的速度插入到层压组件中。如图11b所示，当在探头12的梢端到达层压组件2的中间构件4之前立即开始供应电流时，电阻热软化第二构件的从探头的外周(从外周到肩部接触表面24产生钩35) 延伸的部分，使得钩35的梢端可被径向向外引导(为了钩35的更好的锚定效果)。此外，中间构件4的位于砧座11正上方的部分被主动地软化，从而以主动的方式产生钩35，并且防止软化的材料流入第一构件3和中间构件4之间的界面中。图11c 示出了当探头12的梢端已经前进超过第二构件5和中间构件4之间的界面时开始供应电流的情况。在这种情况下，也可以类似地获得由图11b所示的实施方式获得的优点。
81.下面将讨论前述实施方式的各种特征和优点。
82.在上述接合装置101中，用于摩擦搅拌接合的砧座11和探头12可用作电阻点焊的电极，与单独采用摩擦搅拌接合装置和电阻点焊装置的情况相比，接合装置1的成本和尺寸可最小化。特别地，通过使用上述接合装置1，可以减小生产线的长度，并且可以减少必要的投资量。此外，由于可以同时进行摩擦搅拌接合和电阻点焊，因此可以减少制造过程所需的时间。
83.当电阻焊接不同的材料时，经常产生非常脆的金属间化合物，从而不能获得所需的接合强度。在上述实施方式中，由于可以是不同材料的第二构件5和中间构件4 通过摩擦搅拌接合而不是电阻焊接来结合，因此防止这种金属间化合物降低接合强度。
84.在上述实施方式中，在摩擦搅拌接合中间构件4和第二构件5时由探头12产生的摩
擦热有助于中间构件4和第一构件3的电阻焊接，可以降低电阻焊接的能量消耗。在电阻焊接中，已知如果熔化区域34冷却太快，则熔核33的韧性可能降低。在前述实施方式中，由于探头12保持旋转，并且在停止供应用于电阻焊接的电流之后从层压组件2拉出，所以由探头12产生的摩擦热被传导到熔化区域34，从而防止熔化区域34被快速冷却，并且防止熔核33的韧性降低。
85.在图7、图8b至图8d所示的实施方式中，其中使用由电绝缘材料制成的探头绝缘部分43、中央环形部分63和外环部分67，探头12(41)与经由第二端子32连接到电源15的肩部构件13的外周部分电绝缘。因此，可以简化用于接合装置1的电安全措施。在图8c所示的实施方式中，肩部构件68包括可以导电的内环部分65，并且可以由高度耐磨的金属材料构成。
86.在第一实施方式至第三实施方式及其变型中，砧座11(参见图1等)可以改变为图12或图14a所示的砧座111和121。
87.图12和图13a和图13b所示的砧座111具有圆柱形形状，并且设置有支撑层压组件2的第一表面6的砧座接触表面112。砧座接触表面112包括电绝缘区域113和围绕电绝缘区域113的环形导电区域114，电绝缘区域113以圆形形状绕砧座111的中心轴线居中地设置。电绝缘区域113的直径优选为2mm或更大。电绝缘区域113 不需要是圆形形状，而是也可以具有多边形或其它不规则形状。类似地，导电区域 114不需要具有圆形的环形形状，而是可以具有任何其它形状。砧座111的从导电区域114延伸到第一端子31连接部分(见图1)的部分需要是导电的。
88.如图13a和图13b所示，电流可以在砧座111的导电区域114和探头12(图13a) 或肩部构件13(图13b)之间传导。在任一情况下，熔核115形成为环形形状。如果接合区域彼此相等，则环形熔核115具有比圆形熔核33(见图2a至图2c)更大的外径，使得接合强度，特别是关于剥离负荷的接合强度增加。
89.在电流如图13b所示在砧座11和肩部构件13之间通过的情况下，与电流如图 13a所示在砧座11和探头12之间通过的情况相比，电流的路径在径向向外的方向上扩展，熔核115的外径可以增加，并且接合强度增加。如图12所示的包括圆形电绝缘区域113和环形导电区域114的砧座111可以以比图14a所示的砧座121更低的成本制造，这将在下面讨论。
90.图14a所示的砧座121包括支撑层压组件2的第一表面6的砧座接触表面122。砧座接触表面122包括十字形绝缘区域123和由绝缘区域123彼此分离的四个扇形导电区域124。绝缘区域123的十字形的中心与探头12的中心轴线重合。绝缘区域123 不必是十字形的，只要导电区域124被分成多个相互隔离或分离的部分即可。例如，绝缘区域123可以由从中心径向延伸的多个带组成，或者可以由在竖直方向和水平方向上延伸的多个带组成。
91.电流从探头12或肩部构件13流到砧座111的导电区域114。利用具有十字形绝缘区域123的砧座121，电流被分开并流向彼此隔离的四个导电区域124。因此，如图14b所示，形成彼此隔离的四个岛状熔核125。由于熔核125是分散的并且每个熔核形成为岛状，所以可以分散结合时产生的应力。此外，由于与没有设置绝缘区域 123的情况相比电流密度增加，所以促进了第一构件3和中间构件4的熔化，从而更有利地产生熔核125，同时降低了电能消耗。
92.已经根据具体实施方式描述了本发明，但是本发明不限于这些实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种方式进行修改。第二构件和中间构件之间的接合
可以是除点焊之外的电阻焊。在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合各种实施方式的不同特征。例如，图3b所示的肩部构件可应用于图6所示的接合装置101。在图10d中，在肩部构件13和砧座11之间供应电流的定时可以选择为探头12到达第一构件3时或紧接其后的时间点。因此，可以以稳定的方式产生环形熔核33，并且可以增加接合强度。