专利名称：用于摩擦搅拌焊接高温材料的砧板的制作方法
技术领域：
本发明涉及摩擦搅拌焊接，更特别地，涉及用在摩擦搅拌焊接过程中的砧板，该砧板涂覆有一种物质或者用该物质制造而成，当摩擦搅拌焊接高温材料或工件时，这种物质能够抵抗砧板变形并且防止砧板和摩擦搅拌焊接工具或工件之间的扩散结合或机械结合。
背景技术：
摩擦焊接已经在焊接工业领域中使用多年。例如，当两个管子的末端压在一起并同时往相反方向旋转时就会产生热并导致管子的末端塑化且结合在一起。快速停止管子旋转会使得两个管子熔合在一起。
另一方面，摩擦搅拌焊接是一种相对较新的技术，它在1995年10月24日发布的美国专利No.5,460,317中首次得到阐述。摩擦搅拌焊接包括在两个工件相互接触点处将一个带有成型探头端的不可熔的摩擦搅拌焊接工具压在两个工件上。当它压在两个工件上时，工具的探头端的周期运动会产生热。工具的探头端进入或者插入到两个工件中由探头端摩擦生成的塑化区域。接着探头端缓慢地移动到两个工件相互邻接的区域，从而使得位于探头端下方的两个管子之间的区域能够一起固化。
摩擦搅拌焊接有很多优点。其中包括受热的材料在摩擦搅拌焊接中不会暴露于燃烧产物。这会减少工件中因为工件与工具及其副产品之间的分界面引起的化学变化。摩擦搅拌焊接的另一个优点是工件的温度不会变得与传统的焊接加工产生的温度一样高，即使在受热区域中也是如此。这种降低了的温度会削弱因为环境大气引起的工件的氧化，从而减少了在焊接位置处提供惰性气氛的需要。
由于探头端的磨损，摩擦搅拌焊接传统上限于焊接低熔点材料，如铝合金、铜合金、铅镁合金等。使用标准的钢背支承或砧板可以有效地连接这些材料。但是，技术上的最新进步使得摩擦搅拌焊接可用于比较坚固的、以前不可焊接的材料。
为了连接一些所谓的如钢、不锈钢、镍合金或钛合金等“高温材料”，必须采用更高的温度，使用更强的力。这些更高的温度和更强的力产生了新问题。例如，如此高的温度会导致工件扩散结合或机械结合到砧板上。而且，高温工件的摩擦搅拌焊接可能导致不需要的和额外的砧板变形。
本领域目前的趋势是在连接高温材料时避免探头端完全熔透，以降低工件扩散结合或机械结合到砧板上的可能性。然而，如果探头端只少量熔透到接缝中，那么接缝只有一部分受热并接合，这样的焊接就不如焊接被完全熔透进接缝区域时那样坚固。另外，材料在整个焊缝上没有得到完全塑化，引起部分表面上的焊接区域呈搭焊状态，在该区域中，来自一个工件上的材料部分地重叠到相邻工件的材料上，而不是与之完全结合。这种焊接的缺陷并不总是显而易见的，或者至少在前期检查中并不总是能够看出来的。
本领域的最新趋势是获得完全熔透的焊接。很多发明涉及到给砧板或工件增加倒角或凹槽。(参见美国专利No.5,611,479和5,769,306)。另外，很多专利致力于使用反馈控制系统来控制销的深度，从而控制熔透的程度。(参见美国专利No.6,168,066和6,173,880)。
美国专利No.6,168,066包括有一个陶瓷传感器片，它用来感知磁场和涡流来控制磁摩擦搅拌焊接工具在比较软的非磁性材料中的深度。
因此，提高现有技术或者即使采用其它技术来代替现有技术都是本领域的进步。
发明概述本发明的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它在工件和砧板之间形成了一层扩散隔层。
本发明的一些实施方式提供了一种改进的摩擦搅拌焊接砧板，它能够焊接那些通常认为是“刚性的”而难于用传统的摩擦搅拌焊接砧板来焊接的材料和工件。
进一步地，本发明的一些实施方式提供了一种改进了的摩擦搅拌焊接砧板，它能够完全熔透焊接那些目前难于用传统的摩擦搅拌焊接砧板来摩擦搅拌焊接的材料。
本发明的一些实施方式提供了一种改进了的摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接高温工件和材料时，它能够防止因砧板引起的常规变形。
本发明的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它能够防止工件和砧板之间的扩散结合。
另外，本发明的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它能够防止工件和砧板之间的机械结合。
本发明的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，它涂覆有至少一种化学性质不活泼的材料或者用该材料制造而成，该材料在工件和砧板之间形成了一层扩散隔层。
此外，本发明的一些实施方式提供了多种可用于涂覆或者制造砧板的材料，以获得比当前摩擦搅拌焊接砧板更高的性能。
对本领域熟练技术人员而言，发明的进一步特征和优点在结合附图理解下面的详细说明的基础上是显而易见的。
在一种最佳实施方式中，提供了一个系统，其中摩擦搅拌焊接砧板是用一种化学性质不活泼的材料制造而成的，例如氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐。在此实施方式中，砧板通常是一个平板或转台，它在摩擦搅拌焊接时支承工件。除了由前面提到的材料制造砧板之外，另外还可用化学性质不活泼的材料来涂覆砧板。
下面是用前面引用的材料应用或制造砧板的一些其它方法。在一种实施方式中，砧板是通过直接将化学性质不活泼的材料喷涂到金属砧板上制造而成的。另外，砧板还可通过化学沉积或蒸汽沉积来涂覆上化学性质不活泼的材料。砧板还可通过阳极氧化或离子束烧结来涂覆上化学性质不活泼的材料。进一步地，砧板还可以是一个由化学性质不活泼的材料组成的完整的衬垫或者砧板还可以涂覆上粉末状的化学性质不活泼的材料。进一步地，砧板还可以通过粘合液涂覆上粉末状的化学性质不活泼的材料。另外，可以通过产生和结合化学性质不活泼的材料来为砧板涂覆上化学性质不活泼的材料，这种产生和结合是通过反应或变化同时发生的。
根据本发明的实施方式，砧板的几何形状或外形可为了实现更多的具体目标而变化，前提是砧板至少部分涂覆了化学性质不活泼的材料或者由化学性质不活泼的材料组成。另外，根据本发明的实施方式，任何化学性质不活泼的涂层，包括与作为第二或第三元素的氧、氮、碳或硅结合分别形成氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐的金属在内，都提高了砧板的性能。
进一步地，根据本发明的实施方式，包括化学性质不活泼的材料的任何化学性质不活泼的涂层，例如但不限于金刚石，都提高了砧板的性能。
本发明实施方式的原理使得在摩擦搅拌焊接一些材料的过程中能够完全熔透，这是因为工具没有粘住砧板或工件，从而改进了焊接，其中，这些材料传统上不可用摩擦搅拌焊接，如钢材、钛和其它高温材料。
本发明的这些和其它特征和优点将在下面阐述出来，或者在后面的说明和附属权利要求中变得更加明显。其中，这些特征和优点可通过那些特别在附属权利要求中指出的器械和组合来实现和获得。进一步地，发明的特征和优点可以通过应用发明得知，或者通过在下文中阐述的说明变得显而易见。
附图的简要说明为了获得上文叙述的方式和本发明的其它特点及优点，将参照特定实施方式提供一个本发明更详细的描述，实施方式阐述在附图中。应当理解附图只描述本发明典型的实施方式，因此，不能被认为是对发明范围的限制，本发明将通过采用附图描述和解释附加特性与细节，其中
图1是一幅表示待焊接表面的横截面视图，其中图包括工件和支承砧板的两个结合面；图2是另一幅表示待焊接表面的横截面视图，表示摩擦搅拌焊接工具在工件内工作；图3描绘用传统砧板焊接后的表面的横截面视图；图4描绘用在此公开的本发明的实施方式焊接后的表面的横截面视图；图5表示一幅横截面视图，该视图描绘了待焊接的表面并进一步描绘了在砧板上的一个涂覆的扩散隔层；以及图6仍是另一幅表示待焊接表面和砧板的横截面视图，该砧板由一个惰性扩散隔层组成。
优选实施例的详细描述现在参照附图，其中给本发明的不同元件以不同的数字标记，其中本发明的描述使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。应当理解下列描述仅仅是本发明原理的示范，不应当被视作对所附权利要求范围的缩小。
在此公开的本发明的一些实施方式用于在摩擦搅拌焊接高温材料如不锈钢的过程中焊接的完全或局部熔透。随着在摩擦搅拌焊接设备和加工中使用的工具的新进步，具有比过去使用的熔点更高的不同材料能够成功地进行摩擦搅拌焊接。结合高温材料或工件所需的高温高压使得在工件和支承之间必须有一个扩散隔层以便消除工件之间的扩散结合并防止砧板变形。实验揭示当参加摩擦搅拌焊接高温材料时，扩散结合、机械结合和变形发生在工件和传统或标准钢砧板之间。因此，在此描述的本实施方式防止砧板在摩擦搅拌焊接过程中这样结合到工件上，并且如果不能完全消除砧板变形也将砧板变形减到最小。
在说明书和权利要求中，术语“高温材料”是指那些不易使用传统的摩擦搅拌焊接工具进行摩擦搅拌焊接的合成物或工件。这些合成物例如，但不仅限于，钢、不锈钢、镍合金和钛合金。当摩擦搅拌焊接上述材料时，温度超过1300摄氏度，压力超过10吨是很典型的。
图1显示穿过待焊接的表面的横截面图，示出两个工件和一个支承砧板14。图显示焊接板10A和10B在接缝12处相互连接在一起。
图2表示一个摩擦搅拌焊接工具22和焊接板10A和10B。销16摩擦地塑化材料和焊接板。当接合高温材料时，本领域的规定是避免完全熔透留下一个未连接部分18。然而，这种熔透不足的结果是有一个横截面24，如图3所示，其中焊缝18的底部难以通过简单的检查发现焊缝是否完整。
图4表示根据本发明实施方式的原理接合的焊缝的一个横截面24。表示出了一个被涂覆的砧板14，它允许完全熔透而没有使工件扩散结合或机械结合到砧板的危险。该砧板可以涂有一种抵抗扩散结合的惰性材料。
在一个实施方式中，使用了一个喷涂的扁平的矩形砧板。图5表示这样的带涂层的砧板的横截面视图。所示砧板包括一个传统的钢芯28，它喷有一种惰性涂料26以抵抗扩散结合。
根据本发明，化学蒸汽沉积是一种用于在传统的刚芯上沉积材料的替代方法。这些材料包括，例如但不仅限于，碳化物、氮化物、氧化物和硅酸盐。
图5表示的惰性涂层，例如通过粉末涂覆加工，可以应用到传统的刚芯上。在把工件放置到位准备摩擦搅拌焊接之前，将一种惰性粉末遍布在现有的钢制砧板上。随着工件跨越过砧板，粉末涂覆在工件底部并抵抗结合。
图5中的涂层还可通过阳极氧化来施加。因此，砧板作为阳极悬浮在电解液中，有电流流过该砧板。该加工在阳极表面产生的氧气与金属起反应形成氧化层。
图6说明了一个完全由惰性材料26组成的砧板。实施方式包含这样一个砧板作为衬垫的使用。
砧板的一种可替代的实施方式包括，但不限于，一个水平可旋转圆柱或辊子。这种几何形状和其它几何形状都被包括在本发明实施方式的范围内。
本发明的这种覆盖或包括惰性化学物质的砧板与传统技术远远不同，由于摩擦搅拌焊接头的高成本和经济压力，传统技术不允许去大量尝试高温材料下的完全熔透。
虽然当砧板由所有类型的材料组成时涂层可能不会典型地防止砧板的变形，但是涂层能够典型地防止由大多数类型材料构造的砧板中的扩散结合。另外，在由高度耐热变形和根据本发明的实施方式教导而被涂覆的材料形成的砧板中，防止扩散结合和防止变形都会发生。在变形的台面或砧板上随后进行的焊接典型地会导致严重的表面定位问题。但是，本发明实施方式包括已涂覆的和未涂覆的坚固砧板材料，该材料在高温下仍然维持它们的弹性模量而不会扩散焊接(即超过钢材三千万psi)。这些材料中有一部分由上述扩散隔层材料制造而成。实施方式还包括使用大理石和/或花岗岩。对工件所在的砧板或台面的液体冷却调节热流，其可用来作为控制焊接质量的参数，并用来在摩擦搅拌焊接中维持台面模量。根据本发明的实施方式，基于它们的热传导率，坚固的陶瓷材料还可用来控制热流。坚固的陶瓷材料还可用来作为砧板，并典型地不会允许扩散结合或变形。
本领域技术熟练人员易于理解，只要在本质上不背离在此提供的教导和优点，可以对示范的实施方式作出多种变化。相应地，所有这些变化都被确定包含在本发明实施方式的范围内。
因此，正如在此讨论的那样，本发明的实施方式包含摩擦搅拌焊接，更特别地，包含一种用在摩擦搅拌焊接加工中的砧板，该砧板或者涂覆有一种物质或者用该物质制造而成，当摩擦搅拌焊接高温材料或工件时，这种物质能够抵抗砧板变形并且防止砧板和摩擦搅拌焊接工具或工件之间的扩散结合或机械结合。在不背离其精神和本质特征的情况下，本发明还可能包含其它具体的形式。所描述的实施方式在各方面都只能认为是说明性的而不是限制性的。因此，发明的范围是由附属的权利要求而不是前面的描述来表示。所有发生在权利要求等效含义和范围内的变化都被包含在它们的范围中。
权利要求
1.一种构造成在摩擦搅拌焊接中使用的砧板，其包括芯，其构造成用于支承通过摩擦搅拌焊接方法焊接在一起的材料；一种化学性质不活泼的材料，该材料包含在下列之一中(i)所述芯；和(ii)施加在所述芯的至少一部分上的涂层。
2.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，所述涂层包括下列之一(i)选自元素周期表IIIA组中的元素；(ii)选自元素周期表IVA组中的元素；(iii)选自元素周期表IIIB组中的元素；和(iv)选自元素周期表IVB组中的元素。
3.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，所述涂层包括下列之一(i)金刚石；(ii)金属间化合物；和(iii)耐熔金属。
4.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，当进行摩擦搅拌焊接加工时，砧板在被焊接在一起的材料和砧板表面之间形成一扩散隔层。
5.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，砧板使焊接材料能够完全熔透。
6.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，砧板在摩擦搅拌焊接加工过程中抗变形。
7.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，砧板防止材料和砧板之间的机械结合。
8.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，所述化学性质不活泼的材料包括下列之一(i)氧化物；(ii)氮化物；(iii)碳化物；和(iv)硅酸盐。
9.如权利要求1所述的砧板，其特征在于，所述芯是下列形式之一(i)板；和(ii)转台。
10.一种用于制造摩擦搅拌焊接砧板的方法，其中该砧板能够摩擦搅拌焊接高温材料，该方法包括的步骤如下设置一个砧板芯，该砧板芯设置用于支承通过摩擦搅拌焊接方法焊接在一起的材料；以及在设置下列之一时使用一种化学性质不活泼的材料(i)所述砧板芯；和(ii)在所述芯的至少一部分上的涂层。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使用化学性质不活泼的材料的步骤包括下列步骤之一(i)采用喷涂方法；(ii)采用沉积方法；(iii)采用阳极氧化方法；(iv)采用离子束烧结方法；(v)采用粘合液方法；和(vi)采用化学反应方法。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述使用化学性质不活泼的材料的步骤包括使用粉末涂层方法来涂覆所述芯的至少一部分的步骤，所述化学性质不活泼的材料为粉末状。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述化学性质不活泼的材料包括金属和氧。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述化学性质不活泼的材料包括金属和氮。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述化学性质不活泼的材料包括金属和碳。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述化学性质不活泼的材料包括金属和硅。
17.如权利要求10所述的方法，还包括将所述芯形成下列形式之一的步骤(i)平板；和(ii)转台。
18.一种设置用于摩擦搅拌焊接的砧板的方法，该方法包括下述步骤设置一个带有芯的砧板；将待摩擦搅拌焊接的材料放置到所述砧板上；摩擦搅拌焊接所述材料；和监视焊接温度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述设置带有芯的砧板的步骤包括下述步骤在所述芯中形成一个空腔；和将导管连接到空腔上。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述监视焊接温度的步骤包括用于通过空腔循环流动流体以调整砧板温度的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种摩擦搅拌焊接砧板(14)和一种生产能消除砧板扩散结合或机械结合到工件(10A，10B)上的摩擦搅拌焊接砧板(14)的方法。用于生产这样一种砧板的方案包括用例如氧化物、氮化物、金属间化合物，和/或耐熔金属的扩散隔层涂覆砧板；用同样的材料制造整个砧板或砧板的一部分；将这种材料的涂层(26)以薄片或粉末的形式放置在砧板(14)和工件(10A，10B)之间。在此公开的砧板(14)既使在高温下也显示出高强度和硬度，如800℃以上的高温，从而防止砧板(14)机械结合或扩散结合到工件(10A，10B)上，并且使砧板变形减到最小或完全消除。
文档编号B23K20/12GK1516634SQ02811816
公开日2004年7月28日 申请日期2002年6月12日 优先权日2001年6月12日
发明者斯科特·M·帕克, 特蕾西·W·纳尔逊, 卡尔·D·索伦森, W 纳尔逊, D 索伦森, 斯科特 M 帕克 申请人:布莱阿姆青年大学