专利名称：不同金属的摩擦搅拌焊接的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用摩擦搅拌焊接接合不同金属构件例如镁合金面板和铝合金加强 件。更具体地，本发明涉及将夹层材料例如粘合剂和金属粉末的混合物置于不同金属成分 构件的相对表面之间，用于合并进通过摩擦搅拌焊接工具所产生的接头材料以增加焊接接 头的强度。
背景技术：
在很多生产应用中，将不同金属成分的构件进行焊接以制造例如相对轻质的物件 是很有用的。例如，在机动车辆车身部件的制造中，可能希望将铝合金加强柱结合至镁合金 面板。通常，这种不同的金属构件难以通过常规的接合技术比如熔焊工艺来接合，因为它们 形成弱化该接头的大块的、脆弱的金属间合成物。可以设想的是，这种不同金属部件可利用 摩擦搅拌焊接的做法来接合。在摩擦搅拌焊接中，具有轴向探针和肩部的旋转工具被按压进金属工件组件的表 面中。旋转的探针和肩部在焊接位处接合工件。在探针和肩部上的持续的压力和摩擦热使 在工件的被接合部分的材料暂时变软、塑化并混合。当旋转工具被大体上垂直地按压进在 工件上的点位并然后收回时，摩擦搅拌点焊形成。摩擦搅拌工具可收回和沿着一个或多个 工件的表面移动并连续地接合以形成一系列的摩擦搅拌点焊。当旋转工具被按压进工件表 面并在该表面中移动时，可形成摩擦搅拌线焊或缝焊。同样地，摩擦搅拌工具可沿着两个或 更多个工件的邻接边的界面运动从而形成摩擦搅拌对焊。这些不同的焊接形式统称为摩擦 搅拌焊接(FSW)。FSW可包括摩擦搅拌点焊(FSSW)。在待被接合的金属件合成物形成合适的焊接区域处，可获得良好的接头强度。当 一些不同的金属用FSW接合时，在焊接区域中脆弱的、低熔点的金属间材料的形成可产生 不牢固的或脆弱的焊接结合。例如当需要将镁合金构件接合至铝合金部件时，上述的情况 会发生。本发明的一个目的是提供一种在不同金属成分的工件之间例如在镁合金工件和 铝合金工件之间实现牢固的摩擦搅拌焊接结合的方法。
发明内容
本发明的实施操作在摩擦搅拌焊接情形中非常有用，其中，不同的金属工件待被 接合并且通过传统的摩擦搅拌焊接技术工件的相应组分不能实现良好的粘结强度。例如， 摩擦搅拌塑化铝和镁合金可形成弱化所要焊接的低熔化温度合成物。在铝摩擦搅拌焊接至 镁期间，焊接位的温度可足够高以产生低熔化Al-Mg共熔液体。该液体不仅仅限制搅拌区 域的尺寸而且在工具从焊接位退出时容易粘住摩擦搅拌焊接工具。该液体材料的形成在铝和镁工件之间产生不牢固的粘结。
摩擦搅拌点焊的接头强度取决于焊接期间形成的搅拌区域的尺寸。当包含两种不 同金属构件的成分的界面的摩擦搅拌塑化不能产生好的摩擦搅拌粘结时，通过在待被接合 的工件的(多个)界面处添加一个或多个夹层材料例如包括与金属粉末和/或非金属粉末 混合的粘合剂来改变摩擦搅拌区域的组分会是有益的。粘合剂可用作应用于FSW接头中金属和/或非金属粉末的媒介(载体)。粘合剂 可合并金属和/或非金属粉末，并为将经受FSW的表面提供粉末的更好的粘性。粘合剂和 粉末的混合物可在焊接位处和/或围绕焊接位涂敷。另外，在FSW过程期间未被烧掉的粘 合剂可在加工过程中固化，从而增加了接头强度，例如搭接剪切强度从大约7501b增加至 大约15001b。该增加的强度可从通过粘合剂产生的额外粘结区域产生。在一个实施例中， 在FSSW销钉工具下面的和/或与FSSW销钉工具邻接的粘合剂将被烧掉，从而留下粉末与 基体金属反应。远离销钉工具的粘合剂将在加工过程中在一些点处固化，从而增加了接头 强度。在本发明的铝构件待被接合至镁构件的实施例中，希望的焊接位可设置具有包括 以下混合物的层(a)粘合剂和铜和锡粉末，或(b)粘合剂和铜、锡和锌的粉末，或(C)粘合 剂和锌粉末，或(d)粘合剂和其它合适的金属和/或非金属粉末合成物和混合物，包括例如 但是不局限于下述中的至少一种铝、镁、硅、锶、铈(或其它镧系元素)、银、钛、锑、镍、铬、 锰、铁、钒、铌、锆、钇、钼、钨、黄铜、青铜、钢、碳、氧化铝、氧化镁、硅石、钛的氧化物或铁的氧 化物，或它们的组合。可在混合物中使用的粘合剂的例子包括但是不局限于以下中的至少 一种环氧物、聚亚安酯、丙烯酸树脂、带粘合剂或喷涂粘合剂。粘合剂可以为任何合适的形 式，例如但是不局限于液体、喷雾、雾、膏或颗粒。粘合剂和金属粉末可添加进单成分的独立层或作为多成分混合物的层。这样的合 成物作为合适的涂(覆)层或夹层被涂敷至被焊接部件的表面。然后部件被组装和支撑以 用于摩擦搅拌焊接。这些涂层还可涂敷在工件的面对摩擦搅拌焊接工具的顶表面上。在焊 接期间，添加的材料被搅拌、混合，并与相邻的铝和镁在搅拌作用区域反应。得到的更复杂 的混合物形成更牢固的焊接接头。涂层还可提高焊接接头的腐蚀性能。这样的粘合剂和粉末合成物通过经验或试验进行选择，以便改善FSW的机械性 能。例如，粘合剂和粉末合成物能与基体金属(例如铝合金和镁合金)反应以在搅拌区域 中形成更高熔化温度的成分(高于单独从基体金属相互作用形成的成分的温度)或增加所 产生的金属间液体的粘性，使得搅拌区域变得相对坚实或坚固并减小其粘住焊接工具的倾 向。焊接后，任何残留的粘合剂可固化并加强相邻工件之间的粘结。添加的粉末材料可与 基体金属反应以形成其它的微结构成分。粘合剂的固化和搅拌区域材料的熔化温度的增加 和/或具有分散的添加粉末材料和/或反应产物的小颗粒的搅拌区域的牢固性的增强可增 加不同金属工件之间得到的接头的强度和/或韧度。在本发明的另一实施例中，其是使用界面组分改变的粉末的补充，高热导性的砧 板用于支撑工件倚靠摩擦搅拌工具，并用于促使搅拌区域的热传递以最小化摩擦搅拌焊接 期间低熔点金属间材料的形成。增加的冷却率用于避免或最小化焊接区域的熔化。增加的 冷却率用于最小化低熔化温度金属间材料的形成量和用于增加所得到的金属和金属间液 体的混合物的牢固性。
如上所述，组分改变的粉末材料可以通过经验或试验而开发和明确。例如，铝和镁工件的摩擦搅拌焊接期间搅拌区域中的温度能轻易至450°C或更高。锡和锌具有相对低的 熔化温度，分别为大约232°C和420°C。因此，在摩擦搅拌焊接期间，锡和锌熔化并且锡和 锌液体能与相邻的铝和镁材料反应。例如，在摩擦搅拌焊接期间，锡能与镁反应形成固体 Mg2Sn (熔化温度大约为770. 50C )颗粒和富锡的Mg-Sn液体的混合物。并且，在FSW过程期 间未被烧掉的粘合剂固化并促进了铝和镁工件之间的粘结。同时，铝和镁能形成Al-Mg共 熔液体。由此形成的Mg2Sn颗粒和诸如铜颗粒的加入颗粒以及存在于基料中的夹杂颗粒与 Al-M共熔液体混合以减小其流动性和增加其牢固性。该混合物还与在搅拌作用区域未反应 的铝和镁基料混合，从而产生相对牢固和坚固的搅拌区域。该牢固性还降低了搅拌区域材 料粘住焊接工具的倾向。一旦冷却，铝合金、镁合金、Mg2Sru类似Al3Ife2的Al-Mg金属间化 合物和铜的复杂合成物形成了坚固而又坚韧的焊接。还可包含一些锡。在一个实施例中，夹层材料合成物以粉末等形式使用以便于粘接结合来自相邻的 面对工件的摩擦搅拌工具塑化的金属和分散在摩擦搅拌工具塑化的金属中、以及与摩擦搅 拌工具塑化的金属形成合金。补充的涂覆材料涂敷至不同金属合成物的相邻或交叠工件的 接触区域。在料件被组装并支撑以用于FSW前，涂覆材料可作为松散的粉末放置在料件中 的一个或两个的面对的表面上。夹层材料的添加可通过以下任意合适的涂覆方法完成，例 如冷喷、电子束真空沉积、热喷等，或除作为松散粉末应用之外通过包覆或简单地通过加入 合适组分材料的薄料件来完成。本发明其它的目的和优点将从本发明的各个实施例的具体描述中变得显而易见。此外，本发明提供以下解决方案。解决方案1 一种在不同金属或金属基合金合成物的两个或更多个金属工件之间 形成摩擦搅拌焊接的方法，该方法包括形成组件，其中至少两个工件具有接合面，其中接合面具有接合面焊接区域，在所 述接合面焊接区域处形成摩擦搅拌焊接，并且一个工件的表面具有用于与旋转的摩擦搅拌 焊接工具接合的摩擦搅拌接合区域；在摩擦搅拌接合区域或接合面焊接区域中的一个或两个处放置夹层合成物，其中 夹层合成物包括粘合剂和至少一种金属粉末的混合物；和用摩擦搅拌工具摩擦搅拌金属工件，所述摩擦搅拌工具初始地接合摩擦搅拌接合 区域并穿透工件至每个接合面焊接区域；其中摩擦搅拌工具的动作引起工件金属成分与夹层合成物的混合，并在接合面焊 接区域形成焊接材料，该焊接材料包括来自夹层合成物、每个金属工件和任何反应产物中 的成分，其中摩擦搅拌工具的动作引起至少一部分粘合剂固化并与金属工件粘结在一起， 禾口其中一个金属工件是镁合金工件，一个金属工件是铝合金工件。解决方案2 如解决方案1中所述的方法，其中所述组件被支撑在适于避免或最小 化焊接区域处的熔化的砧上。解决方案3 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物的成分与金属工件成分 的组合增加了焊接材料的熔化温度。
解决方案4 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物的成分与金属工件成分 和它们的反应产物的组合增加了焊接期间熔化的搅拌区域材料的粘性。解决方案5 如解决方案1中所述的方法，其中工件的组件具有带有第一和第二接 触面焊接区域的第一和第二接触面，并且同样的夹层合成物被混合进入第一和第二接触面 焊接区域中每个的焊接材料中。解决方案6 如解决方案1中所述的方法，其中工件的组件具有带有第一和第二接 触面焊接区域的第一和第二接触面，并且第一夹层合成物在第一焊接区域被混合进焊接材 料，不同的第二夹层合成物在第二焊接区域被混合进焊接材料。解决方案7 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂和氧化铝、 铝、碳、铜、银、锡和锌中的一种或多种。解决方案8 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂和铜、锡和 锌中的一种或多种。解决方案9 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂、碳和锡。 解决方案10 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂、银、 锡和锌。解决方案11 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂、铜和 锡。解决方案12 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂和锌。解决方案13 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂、铜、 锡和氧化铝。解决方案14 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂和氧 化铝。解决方案15 如解决方案1中所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂、铝和
氧化铝。解决方案16 如解决方案1中所述的方法，其中放置夹层合成物包括冷喷、热喷、 电子束真空沉积或包覆中的至少一种。解决方案17 如解决方案1中所述的方法，其中一个金属工件是镁合金工件，一个 金属工件是铝合金工件。解决方案18 如解决方案17中所述的方法，其中摩擦搅拌接合区域在镁合金板材 上，并且铝合成物位于摩擦搅拌接合区域；并且其中，夹层合成物主要包括粘合剂、铜、锡和 锌，并被放置在接合面焊接区域。解决方案19 如解决方案17中所述的方法，其中夹层合成物的成分与镁及铝工件 成分的组合增加了焊接材料的熔化温度。解决方案20 如解决方案17中所述的方法，其中夹层合成物的成分与镁及铝工件 成分以及它们的反应产物的组合增加了焊接期间熔化的搅拌区域材料的粘性。
图1是图表，其显示了具有粘合剂-金属粉末混合物的夹层成分的FSSW接头的搭 接剪切强度和具有不含粘合剂的金属粉末的夹层合成物的FSSW接头的搭接剪切强度。
图2示出了在例如第一金属合金工件和第二金属合金工件的交叠边缘的表面中 摩擦搅拌点焊的直列式序列的形成。摩擦搅拌焊接工具示意为处在为形成第三点焊接而悬 起的退出位置。混合的粘合剂和粉末材料的涂层沿着预期点焊路径被置于交叠表面之间。图3示出了形成在图2组件中的单点焊接和相邻区域的剖视图，其显示了具有搅 拌区域和邻近的涂层材料的第一和第二合金件的变形区域。图4示出了不同的金属带或板的邻接 件，其中，一层粘合剂和合金粉末的涂层材 料放置在邻接表面之间。图5示出了处于在图4中的邻接金属件之间形成连续摩擦搅拌对焊焊缝的过程中 的摩擦搅拌工具。图6示出了不同基合金成分的交叠板材的摩擦搅拌焊接，其中，粘合剂和金属粉 末的薄夹层沿着焊接路径被放置在金属板材之间。
具体实施例方式不同金属的摩擦搅拌焊接，例如铝合金至镁合金工件的摩擦搅拌焊接，通常导致 形成大量脆弱低熔点金属间相，这对于获得高接头强度是不期望的。在FSW操作中的熔化 可导致搅拌区域材料粘住销钉工具(搅拌头)并继而仅得到低接头强度。在不同实例中，实施1. 6mm厚的AA5754铝合金带至1. 3mm厚的AZ31镁合金带的 摩擦搅拌点焊。料件被支撑在钢砧上。具有大约2. 4mm高的探针、直径大约3mm的探针、直 径大约IOmm的搅拌头轴肩(工具肩部)的摩擦搅拌工具以1600rpm的速度旋转，并以大 约8kN的力施加到铝表面。探针具有螺纹外表面。探针穿透铝带并进入镁带中。塑化点焊 在短时间内形成并且工具和探针收回。在点焊形成后，板材经受剪切载荷以测试通过单点 焊接提供给已接合件的强度。获得仅约90磅的搭接剪切强度值。尽管相应带的熔点大于 600°C，但是镁和铝公知地形成共熔合成物，其超过150°C或更低熔化。可见，在摩擦搅拌焊 接期间形成这种脆弱低熔点合成物，并导致点焊的不牢固。已经发现，通过在铝和镁工件之间引入例如铜和锡粉末颗粒混合物、或铜、锡和锌 粉末混合物或锌颗粒，能够获得较高的点焊强度。这些混合物还可改善焊接接头的腐蚀特 性。向粉末颗粒添加粘合剂进一步增加点焊强度值。粘合剂提供了将粉末涂敷到待被焊接 的接头的媒介。粘合剂在焊接期间不被烧掉的部分形成了粘结接头。粘合剂的添加因此可 将总接头强度从大约7001b增加至大约15001b。使用铜的重量分数比为0. 1到0. 9范围的铜-锡粉末夹层材料从1. 6mm AA5754铝 至1. 3mm AZ31镁的摩擦搅拌点焊接头的搭接剪切强度从不使用铜_锡夹层的焊接的901b 改善至200到4501b。具有0. 25的铜分数的粉末混合物给出4501b的搭接剪切强度。在另 一实施例中，其中，1. 3mmAZ31镁板材(放置在顶部，即在工具侧上)摩擦搅拌点焊至使用钢 砧的2. 5mmAA5754板材，在没有任何涂层条件的情况下获得大约2001b的搭接剪切强度。利用锌粉末夹层，获得大约4201b的搭接剪切强度。利用粘合剂和25wt% (重 量百分比)的Cu、75wt%& Sn金属粉末的夹层，以及铜砧，对于焊接至1. 3mmAZ31镁带的 1. 6mmAA5754铝带获得高至15001b的搭接剪切强度。当与仅添加金属粉末而不用粘合剂 所得到的接头相比较时，用粘合剂和金属粉末混合物所得到的FSW接头导致强度上增加 20-50%。
在其它试验中，在铝和镁带被支撑在高热导性的铜砧上的情况下，摩擦搅拌点焊 形成在交叠的铝和镁带上。高热导性的砧的尺寸设计并成形成以快速地传导来自工件下部 的摩擦搅拌点焊区域的多余热量(导致熔化)，所述工件下部被按压抵靠着铜砧。按重量包 括一份铜-三份锡；铜、锡和锌各一份(下文表示为铜-锡-锌)；和100%的锌的三种金 属粉末合成物，发现它们能显著地提高铝和镁合金带之间形成的摩擦搅拌点焊的搭接剪切 强度。在一系列的测试中，混合的铜、锡和锌颗粒的涂层通过冷喷涂涂覆工艺被涂敷至 铝带上大约0. 2mm厚。冷喷涂可利用超声波载气朝向要被涂敷的基件推进金属粉末来实 施。高速颗粒冲击基件并变形进密集和粘结的涂层。在喷嘴中的气体温度低于颗粒的熔化 温度。在铜砧的补充使用下，对于1. 6mm厚的AA5754铝至1. 3mm厚的AZ31镁的FSSW接头， 获得大于7501b的搭接剪切接合强度。例如，铜、锡和锌各一份的涂层添加物给出6001b的 平均搭接剪切强度，100%锌的涂层添加物给出6501b的平均搭接剪切强度，一份铜三份锡 的涂层添加物给出7501b的平均搭接剪切强度。铜砧和/或水冷砧例如水冷钢砧的使用， 通过驱散产生的过量热而降低焊接期间搅拌区域的温度并有助于保持坚实或相对牢固的 搅拌区域。与在不添加任何涂层或粉末混合物的情况下搭接剪切强度达到2501b相比，还 通过使用其它粉末混合物进行利用铜砧支撑的1. 6mm厚的AA5754铝至1. 3mm厚的AZ31 镁的 FSSW 试验，例如 10Cu-90Sn (5001b)，25Ag-75Sn(5001b)，25Ag-65Sn-10Zn(6151b)， Zn (6501b)，10C-90Sn (5001b)，A12 03 (5501b)，和 50A1-50A1203 (6061b)(组分以重量百 分比给出)。该组分以重量百分比表示，其中在紧接着每一粉末混合物的括号里给出平均 搭接剪切强度。还有也能显著提高接头强度的其他粉末混合物，例如A12 03和25衬％的 01-75衬％的Sn的粉末混合物(大约相等的体积分数)给出6951b的平均搭接剪切强度。 粉末添加物还可位于顶表面(即，在摩擦搅拌工具侧上)或顶表面和接合面。例如，1.3mm 的AZ31板材至2. 5mm的AA5754铝板材的FSSW，在AZ31板材的顶部具有铝粉末和在接合面 具有铜-锡-锌粉末时，给出5801b的搭接剪切强度。通过使用带有或不带有粘合剂的夹层合成物，还可进行铜砧支撑的1. 6mm厚的AA 5754铝至1.3mm厚的AZ31镁的FSSW试验。图1显示了来自这些试验的FSSW接头的搭接 剪切强度和未使用FSSW所粘结的接头的搭接剪切强度与焊接的底部厚度(用毫米表示)、 最终深度的关系。菱形数据点对应于使用粘合剂和金属粉末混合物的FSSW接头。圆形数据 点对应于通过冷喷涂覆过程所涂敷的大约0. 2mm厚度的25衬％的Sn涂层的 FSSW接头。三角形数据点对应于通过冷喷涂覆过程涂敷的大约0. 1mm厚度的Cu-Sn-Zn (等 重量百分比)涂层的FSSW接头。方形数据点对应于没有FSSW操作所粘结接头，其中，粘合 剂和金属粉末混合物被涂敷至该接头。从菱形数据点明显看出的，粘合剂的添加显著地增 加了 FSSW接头的强度。这是因为在FSSW处理过程中没被燃烧掉的粘合剂固化并增加了接 头强度。具有粉末涂层的摩擦搅拌焊的更多的实施操作将被描述。在图2中，第一金属合成物的带10(或板材或板或其它工件形状)的边缘14与 第二金属合成物的第二带12 (或板材或板或其它工件形状)的边缘16交叠。以示意的方 式，第一金属合成物可以为铝合金，第二金属合成物可以为镁合金。上部带10的下面18倚靠带12的上面20。在该实施例中，相应带的交叠边缘14、16平行，并且想要在该平行边缘 14,16之间的线上形成一系列摩擦搅拌点焊。为提高点焊的强度所预定的合成物涂层或夹 层合成物22在带10、12被组装在所示的交叠位置之前涂敷于带10、12中的至少一个的表 面。在该实例中，涂层22在板材10、12的相对面18、20之间涂敷在大体矩形带(图2中的 实边缘线和虚线)中。涂层22沿着希望的点焊路径延伸。夹层合成物22可包含粘合剂和 金属的和/或非金属粉末合成物或混合物。在金属部分分别由镁合金和铝合金形成的实施 例中，诸如上述的夹层合成物可在涂层中使用。 交叠带10、12被组装并被支撑为抵靠摩擦搅拌工具24施加的力。在本发明的各种 实施例中，工件10、12被支撑如在图6所示并结合该图更全面地描述的高热导性砧上。该 支撑砧未在图2中示出。摩擦搅拌工具24具有圆柱形本体26，并结合同心的截顶锥形尖端 28和带螺纹的轴向探针30。该探针还可以为锥形形状。探针30上的螺纹可以用阶梯螺线 或促进摩擦搅拌和形成牢固焊接的其他适合的轮廓来代替。截顶圆锥尖端的底面具有环形 肩部32，轴向延伸的探针30从该肩部32延伸。在摩擦搅拌焊接中探针30和肩部32旋转 并被按压成与工件的预定的摩擦搅拌接触表面接合。如所知道的，肩部32和探针30能够 被分别致动并以不同的速度旋转，其机制在此不作描述。在图2示出的实施例中，工件带10 的上表面34上的点焊位作为摩擦搅拌工具24的探针30和肩部32的指定接触区域。在摩擦搅拌焊接操作中，摩擦搅拌工具24固定地保持在被驱动的摩擦搅拌机器 中，未示出，其适于将工具探针30和环形肩部32抵靠(多个)工件的一个或多个表面。在 图2中，摩擦搅拌工具24根据工具(包括探针30)的旋转轴线36定位成基本上垂直于点 焊位对准(通过图2中的十字形标记38所表示)。摩擦搅拌机器适于旋转摩擦搅拌工具 24，如通过旋转箭头表示。摩擦搅拌机器有力地使工具前进(按照向下箭头降低图2中的工 具)使得旋转探针30和肩部32首先接合带10的表面34，并穿透带10进入带12。正如关 于图3将更全面描述的，旋转探针30和肩部32和各个工件的材料之间的摩擦接触产生强 烈的局部发热。所接合的材料被塑化。在这样的摩擦搅拌较短一段时间后，工具24临时从 与工件的接触收回。塑化的或搅拌的金属硬化以形成点焊(例如图2中的点焊位40、42)， 并且工具24前进至下一个摩擦搅拌点焊位置，例如另外的位38。点焊位40和42反映了螺 纹探针30的穿透和带10的表面34与工具24的肩部32的接合。在该实例中，在以8kN的 力将工具挤压进工件时，工具24的旋转速度是1600rpm。探针可穿透带10约2. 5mm并进入 带12。图3是摩擦搅拌点焊位例如图2中的摩擦搅拌点焊位40的示意性(不必按比例) 剖视图。在图3中，可看见上带10和下带12的不完整的部分。通常在工具24向上抽取将 探针30和肩部32从它们穿透进工件中提出后，锥形孔44保持在点焊位。孔44贯穿带10 的受影响部分并穿过带12的大约50%或更多的厚度。在该点焊的情况下，硬化的搅拌材料 46的环形块在点焊中局部接合带10、12。来自探针30的阶梯形螺旋缺口 47可在搅拌材料 46中看见。没有消耗的夹层合成物22的薄层，其可包括在加工过程中已固化的粘合剂，可 被看到环绕点焊位40。带10和12之间的界面通过点焊变形，如通过夹层合成物22相邻于 硬化焊接材料46的上部弯曲所看到。硬化搅拌材料46包括来自带10、带12、涂敷的粉末 合成物22和它们反应产物(若有的话)中的材料。因此，在带10是铝合金、带12是镁合金、以及涂层材料包括粘合剂、铜、锡和/或锌的例子中，搅拌区域46包括以下中的每一种镁(和一些它的合金成分)、铝(和一些它 的合金成分)、铜、锡、锌和它们的合金或可在摩擦搅拌过程中形成的化合物(例如Mg2Sn， Al3Mg2)、和在该过程期间未被烧掉的任何粘合剂。图4示出了邻接带(或板或其它工件形状)110、112。带110由第一金属合成物 制成，带112用不同的第二金属合成物形成。带110、112具有互补的对齐的邻接相面对的 边缘，在所述边缘之间放置涂覆材料的层122，用于沿着邻接接触面形成牢固的摩擦搅拌对 焊。涂层122的组分通过经验或试验预先确定，以为焊接提供微结构成分从而增强带110 和112的相应不同合成物之间的焊接接头。涂层122可包括上述的粘合剂和/或金属粉末 和/或非金属粉末。涂层122的厚度可为的十分之几毫米至几毫米左右的数量级，并被确 定为以将合适量的粘合剂和合金元件或增强成分提供给对接焊位。图5示出了摩擦搅拌工具124在被旋转(见旋转方向箭头)和按压(向下方向箭 头)进入粉末或涂层122和带110和112的邻接边缘时的动作。在该摩擦搅拌焊接实施例 中，旋转工具124在左侧边缘(如图5所示)进入工件带110、112的邻接顶表面并沿着它 们的界面(指向右的横向箭头)逐渐横移。相邻的不同金属面和插入的粉末或涂层122被 搅拌并混合。在摩擦搅拌工具124沿着面对的工件面前进时，形成了硬化的搅拌材料焊道 146，其给邻接带110、112之间的焊接表面134提供了线性缝焊。如果完全穿透(穿过厚 度)的缝焊不能通过仅从一侧焊接实现，那么可以从相反侧进行额外的焊接操作。完全穿 透焊接还能通过如在公开文献中已知的自反应销钉工具来实现。硬化的搅拌材料焊道146的合成物包括带110、112的金属合成物成分和中间涂层 122，包括在FSW过程期间未被烧掉的任何粘合剂。该组合的合成物在带110和112之间提 供了比不使用涂层合成物122所获得的焊接接头更牢固的焊接接头。图6示出了本发明的实施例，其中线性缝焊通过摩擦搅拌焊接过程在交叠的铝合 金和镁合金板材之间形成。在本发明的这个实施例中，粘合剂和补充的粉末合金成分的涂 层的使用通过使用高热导性支撑砧来补充以增加摩擦搅拌焊接的粘结强度。正如图6所示出的，第一矩形铝合金板材210具有覆盖并交叠矩形镁合金板材216 的边缘214的边缘212。板材210、216的厚度通常在从大约二分之一毫米至大约四毫米的 范围内；然而，当压出或铸造出的厚板是摩擦搅拌焊接组件的一部分时，底部工件216可比 四毫米更厚。在该实例中，板材210、216出示为具有相同的厚度并且它们的厚度稍微有些 夸张以说明该摩擦搅拌焊接过程。同样在该实例中，边缘212和214平行并且线性缝焊形 成在大体平行于板材边缘212、214并位于它们之间的线中。在板材210、216被组装在所示出的交叠位置前，为提高搭接缝焊强度所预定的合 成物的涂层225被涂敷于板材210、216中的至少一个的表面上。在该实例中，涂层225在板 材210、216的相对表面之间被涂敷在大体矩形带中(图6中的实边缘和虚线)。涂层225 沿着希望线性缝焊的路径延伸。在金属部件分别由铝合金和镁合金形成的实例中，涂层可 包括粘合剂和铜-锡、铜-锡-锌、锌或例如上述的其它合成物的混合物。在多于两个板材 被焊接的情况下，夹层材料例如涂层225可被涂敷至接合面的一些或全部上。涂层合成物 在不同的接合面上还可不同，这取决于两个相邻的基料的组分。这种情况应用于上述的线 性摩擦搅拌焊接和摩擦搅拌点焊过程。再次参照图6，交叠板材210、216的待焊接部分置于由三个矩形铜合金砧218、220,222形成的堆上，在该实例中，所述三个矩形铜合金砧218、220、222具有相同的尺寸和 形状。交叠板材210、216的组装通过合适的固定或夹持装置(未示出)被固定用于摩擦搅 拌焊接。在图6中，砧218、220、222延伸超出板材210、216的边缘212、214。在该实施例 中，使用三个砧218、220、222的堆叠。然而，可以使用单个砧或不同数量的板，以从薄的镁 和铝板材上的摩擦搅拌焊接位获得合适的热量散失。例如，有时，当摩擦搅拌焊接操作持续 进行并且正在进行并且砧的温度增加时，需要更大的砧量或砧板的水冷。
在形成缝焊时使用具有圆柱形工具本体226和携带成形探针230的截顶锥形端 部228的摩擦搅拌工具224。摩擦搅拌工具224被夹持在被驱动的摩擦搅拌焊接机器的夹 盘中，未示出，其中被驱动的摩擦搅拌焊接机器使摩擦搅拌工具224围绕在圆形工具本体 226、锥形端部228和轴向探针230的中心处的纵向轴线旋转。摩擦搅拌机器使摩擦搅拌工 具224定位在交叠的板材210、216的上部，其中探针230指向基本上垂直于上部板材210 的上表面232。在该实例中，摩擦搅拌机器如图6中的弯曲的周向箭头所示旋转摩擦搅拌工 具224，并按压探针230的端部抵靠铝合金板材210的表面232，如竖直箭头所示。在摩擦搅拌工具224的旋转探针230被按压进板材210中时，其塑化并搅拌下面 的和相邻的铝合金和镁合金板材材料以及插入的涂覆材料层225。摩擦搅拌探针230穿透 铝合金板材210的厚度并进入镁合金板材216中。在缝焊的形成中，如图6所示出的，其中 旋转探针230穿进工件材料的摩擦搅拌工具224以基本上平行于板材边缘212、214的线性 路径移动，从而逐渐地搅拌并加热被摩擦搅拌工具224接合的插入涂覆层和金属。随着旋 转的摩擦搅拌工具224沿着其预定的路径平移，已搅拌的、加热的和混合板材金属层和涂 覆材料冷却并再次硬化。这些再次硬化的材料在234处示意性地示出为部分形成的焊缝。 焊缝234包括铝合金板材210、镁合金板材216和插入的涂层225的混合成分，从而形成复 合的基料和微结构成分例如Mg2Sn和Al3Mg2 (在焊接期间形成)，从而提供牢固的焊道。混 合有来自层225的包括在焊接过程中未被烧掉的任何粘合剂的材料的焊缝234，比仅由原 始的铝和镁合金成分形成的缝焊更牢固。在该实例中，探针230穿透顶部板材210的厚度并进入下部板材216预定的深度。 在旋转的摩擦搅拌工具224已经横过交叠的板材210、216移动预定的长度后，线性焊缝234 延伸横过板材210、216的宽度预定的长度。在该实施例中，三铜板218、220、222的堆叠选择为抽取交叠板材组件的摩擦搅拌 作用区域的多余热量以避免或最小化搅拌作用材料的熔化。三块板(或不同的数量或尺寸 的板)的热导性和质量通过实验或其它的分析手段预定，以便利于板材210、216的摩擦搅 拌焊接从而获得焊接和交叠板材组件的所需要的性能。上述的实施例描述了铝板材摩擦搅拌焊接至镁板材并且铝板材在顶部(即摩擦 搅拌焊接工具224的进入侧)的例子。在该实施例中，高热导性的砧板，例如硬的铜合金或 水冷钢砧用于吸取过量热，以在焊接位维持合适温度从而获得焊接和交叠的板材组件的所 需性能。在镁合金板材位于顶部而铝合金作为接触支撑砧的底部工件的另一实施例中，如 果与砧板组合的铝工件的热抽取能量很大，使得不能获得所需性能的焊接和交叠的片材组 件，则可以使用钢的或低热导性的砧板。这种情况适用于上述的线性摩擦搅拌焊接和摩擦 搅拌点焊过程。
已经利用特定示意性实例描述了本发明的实施操作，但是本发明的范围不限制到这些示意性实例。
权利要求
一种在不同金属或金属基合金合成物的两个或更多个金属工件之间形成摩擦搅拌焊接的方法，该方法包括形成组件，其中，至少两个工件具有接合面，其中接合面具有接合面焊接区域，在所述接合面焊接区域处形成摩擦搅拌焊接，并且一个工件的表面具有用于与旋转的摩擦搅拌焊接工具接合的摩擦搅拌接合区域；在摩擦搅拌接合区域或接合面焊接区域中的一个或两个处放置夹层合成物，其中夹层合成物包括粘合剂和至少一种金属粉末的混合物；和用摩擦搅拌工具摩擦搅拌金属工件，所述摩擦搅拌工具初始地接合摩擦搅拌接合区域并穿透工件至每个接合面焊接区域；其中摩擦搅拌工具的动作引起工件金属成分与夹层合成物的混合，并在接合面焊接区域形成焊接材料，该焊接材料包括来自夹层合成物、每个金属工件和任何反应产物中的成分，其中摩擦搅拌工具的动作引起至少一部分的粘合剂固化并与金属工件粘结在一起，和其中一个金属工件是镁合金工件，一个金属工件是铝合金工件。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述组件被支撑在适于避免或最小化焊接区域处 的熔化的砧上。
3.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物的成分与金属工件成分的组合增加了焊 接材料的熔化温度。
4.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物的成分与金属工件的成分和它们的反应 产物的组合增加了焊接期间熔化的搅拌区域材料的粘性。
5.如权利要求1所述的方法，其中工件的组件具有带有第一和第二接触面焊接区域的 第一和第二接触面，并且同样的夹层合成物被混合进入第一和第二接触表面焊接区域中每 个的焊接材料中。
6.如权利要求1所述的方法，其中工件的组件具有带有第一和第二接触面焊接区域的 第一和第二接触面，并且第一夹层合成物在第一焊接区域被混合进焊接材料，不同的第二 夹层合成物在第二焊接区域被混合进焊接材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂和氧化铝、铝、碳、铜、银、锡 和锌中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂和铜、锡和锌中的一种或多种。
9.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物包括粘合剂、碳和锡。
10.如权利要求1所述的方法，其中夹层合成物主要包括粘合剂、银、锡和锌组成。
全文摘要
本发明涉及不同金属的摩擦搅拌焊接。当摩擦搅拌焊接工具穿透不同金属合金材料的两个工件的界面时，所形成的不同合金材料的焊接会产生不牢固的焊接接头。这种不牢固的焊接接头通常发生，例如，当尝试在镁合金板材或带以及铝合金板材或带之间形成点焊或其它的摩擦搅拌焊接时。发现，合适的涂层合成物包括放置于组装好的工件界面处的粘合剂，能改变摩擦搅拌焊接材料的组分并强化所形成的粘结。在镁合金和铝合金工件之间的摩擦搅拌焊接实例中，发现，粘合剂和铜、锡、锌和/或其它粉末的组合可强化含镁和含铝摩擦搅拌焊接材料。
文档编号B23K20/12GK101856771SQ20101018088
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月6日
发明者M·T·霍尔, R·T·塞曼斯基, S·K·基姆布利, Y·-L·陈 申请人:通用汽车环球科技运作公司