本发明涉及用于焊接金属板并特别地用于焊接钢板的摩擦搅拌焊接工具。
背景技术：
摩擦搅拌焊接已工业使用多年，并且尤其是在金属材料例如铝、黄铜和青铜的焊接中已经使用多年。摩擦搅拌焊接为如下的固态工艺，其涉及通过由旋转和移动摩擦搅拌焊接探头被推动沿着待焊接接缝(joint)移动而提供的摩擦热发生局部塑性变形。由探头和接缝中金属材料之间的接触所产生的摩擦热使得金属材料可搅拌，并且沿着接缝旋转和移动所述探头实现搅拌材料的焊接。与涉及熔料快速固化的传统激光焊接或熔焊相比，摩擦搅拌焊接为具有获得巨大经济效益的潜能的技术。摩擦搅拌焊接的优势在于加热区域有限，而且所得焊接点通常足够光滑，从而省去了后续的抛光步骤。与传统的电弧焊接或激光束焊接相比，对钢进行摩擦搅拌焊接可使焊接点具有较少的孔、较少的碳扩散和更高的强度。在钢的焊接工艺期间，用于摩擦搅拌焊接探头的条件是很苛刻的。摩擦搅拌焊接涉及高温热循环。焊接点内的温度可能为约800-1000℃，并且在这个高温下，探头必须具有高的机械强度。如果该高温机械强度不足，那么探头将会氧化、磨损和崩落(collapse)或破裂。US2010/0258612A1公开了由硬质金属制成的部分地涂布有一层或多层的用于焊接钢的摩擦搅拌焊接工具。在摩擦搅拌焊接工具领域需要进一步的完善。摩擦搅拌焊接工具不应太昂贵，寿命长并可预测，并且在高温下有高的强度和耐磨性。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供如下的摩擦搅拌焊接工具，其与已知的摩擦搅拌焊接工具相比具有改善的特性。本发明的另一目的在于提供具有高耐磨性和高抗氧化性的摩擦搅拌焊接工具。根据所附的独立权利要求，本发明公开了摩擦搅拌焊接工具、制造这种工具的方法以及这种工具的用途。从属权利要求中公开了进一步的实施方式。根据本发明的摩擦搅拌焊接工具由在粘结相中具有WC颗粒的硬质合金制成，其中所述硬质合金包含3重量％至10重量％的Ni，并且其中所述焊接工具至少部分地涂布有包含Al2O3的表面涂层。在一个实施方式中，所述摩擦搅拌焊接工具由在粘结相中具有WC颗粒的硬质合金制成，其中所述硬质合金包含3至10重量％的Ni，并且其中所述焊接工具至少部分地涂布有如下的表面涂层，所述表面涂层包括至少一个由Ti化合物和Zr化合物中的至少一者制成的第一表面涂层，其为内层，包括Ti碳化物层、Ti氮化物层、Ti碳氮化物层、Ti碳氧化物层、Ti碳氮氧化物层、Zr碳化物层、Zr氮化物层、Zr碳氮化物层、Zr碳氧化物层和Zr碳氮氧化物层中的至少一层，和第二表面涂层，其为包含Al2O3的外层。根据本发明的摩擦搅拌焊接工具具有高的热硬度、高的机械强度并且耐热机械疲劳。可在如下材料中实施所述焊接，其为可塑性变形的材料，例如铝、铜、黃铜、青铜、钢，和其它金属材料以及合金。特别地，本发明的摩擦搅拌焊接工具能够将钢焊接到钢和将钢焊接到铝，因此所述工具经受非常高的温度。根据本发明的摩擦搅拌焊接工具可具有任何期望的形状。所述探头可例如为截断形(truncated)、具有凹槽的螺旋形或针对应用包含任何其它合适的设计。硬质合金是如下的材料，其通常在粘结相中包含WC颗粒。可在包括研磨、喷雾干燥、压制和烧结的工艺中制造硬质合金。有时将硬质合金中的WC颗粒称为α相。WC颗粒的粒度通常会在烧结工艺期间变化。本文件中提及的粒度是烧结后WC颗粒的粒度。用杰弗里斯平面测量法(Jeffries'planimetricmethod)(ASTME112)测量WC粒度，所述杰弗里斯平面测量法是一种基于对已知区域内的颗粒数目进行计数的方法。典型硬质合金中的粘结相是如下的金属相，其围绕WC颗粒和可能存在的其它硬质相，例如，如TiN、TiC或TiCN的硬质相。粘结相中含有Ni是有利的，因为其有助于硬质合金对热机械疲劳的高抗性。含有Ni还使硬质合金的抗氧化性增强。本发明的摩擦搅拌焊接工具中的硬质合金包含3至10重量％的Ni，优选4至5重量％的Ni。表面涂层可有助于硬质合金的抗氧化性的增强。本发明的第二表面涂层优选包含Al2O3、更优选α-Al2O3、最优选细粒的α-Al2O3。可施加本发明的表面涂层以覆盖所述工具的整个外表面或仅所述工具外表面的一部分，优选在焊接工艺期间暴露于磨损的部分。可例如用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)技术施加所述表面涂层。在本发明的一个实施方式中，用所述表面涂层完全涂布所述焊接工具的外表面。完全涂布的工具是有利的，因为全部涂布的摩擦搅拌焊接工具显示出高的抗氧化性。在本发明的一个实施方式中，用CVD技术施加所述表面涂层。这是有利的，因为可同时涂布所述工具的整个外表面，并且可施加相对较厚的涂层而没有与高的压应力相关的任何问题。在本发明的一个实施方式中，所述表面涂层包含最外的Al2O3第二表面涂层，和如下的第一表面涂层，该第一表面涂层为中间表面涂层，即内层，施加该第一表面涂层从而使硬质合金不与所述Al2O3第二表面涂层直接接触。该中间表面涂层的厚度优选超过0.3μm且小于6μm。在一个实施方式中，所述中间涂层的目的在于促进在Al2O3的CVD工艺期间的α-Al2O3生长，并且防止在所述CVD工艺期间的κ-Al2O3生长。该中间涂层可例如为TiN、TiCN、ZrC、TiC或其混合物。在本发明的一个实施方式中，包含Al2O3的所述第二表面涂层的平均厚度大于5μm，优选为至少6μm。该平均厚度优选小于30μm，更优选小于20μm。这个厚度是有利的，因为其增加了耐磨性并且提供足够的隔热。在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金包含3至10重量％的Co、优选4至5重量％的Co。这种Co含量会增大硬质合金的韧性和机械强度。这是有利的，因为其会改善抗热机械疲劳性和导热率。在本发明的一个实施方式中，在所述硬质合金中，所述粘结相包含Co和Ni，Co/Ni比为0.3-3、优选0.75-1.25、最优选约1，并且Co和Ni的优选的总含量为约10重量％、更优选8至10重量％、最优选9至10重量％。在本发明的一个实施方式中，所述粘结相包含0.8-1.2重量％的Cr和/或Mo。Cr和/或Mo含量会增强粘结相的抗氧化性。在更低Cr含量下，抗氧化性降低，而在更高Cr含量下，形成Cr碳化物，其可导致脆化。此外，含Cr的硬质合金材料的居里点(Curiepoint)低于纯WC-Co硬质合金的居里点。添加Cr也是有益的，因为粘结相的相变和体积变化的风险降低。在本发明的一个实施方式中，所述粘结相包含0.01-0.4重量％的Fe。所述Fe含量会增强粘结相的抗氧化性。在本发明的一个实施方式中，所述摩擦搅拌焊接工具包含85-95重量％的WC颗粒。这种增加的WC含量是有利的，因为材料的导热率会增大并且形成热裂缝(thermalcrack)的倾向会减小。此外，所述硬质合金的抗热震性以及机械强度会增大。在较低粘结相含量的情况下，导热率增大。在本发明的一个实施方式中，所述硬质合金中的平均WC粒度是2-25μm、优选大于3μm、更优选5至8.5μm。导热率随着粒度增大而增大。用杰弗里斯平面测量法(ASTME112)测量微观结构(α相)中WC颗粒的粒度。这种粗WC颗粒的优势在于，这种硬质合金具有高的机械强度和高的耐磨性。粗颗粒还使硬质合金在烧结之后的表面粗糙，其在摩擦搅拌焊接工艺中可能有利。在一个实施方式中，除WC以外，所述硬质合金还包含最多达5重量％的立方碳化物。在本发明的一个实施方式中，所述工具包含两个探头，其中每个探头都旨在在摩擦搅拌焊接工艺期间与待焊接材料接触，其中将所述探头彼此相反地排列，以使当第一探头在摩擦搅拌焊接工艺中工作时，第二探头不工作。在本发明的一个实施方式中，在包含N2或Ar的焊接气氛中用根据本发明的摩擦搅拌焊接工具实施摩擦搅拌焊接工艺。这对于防止加工材料脱碳和氧化是有利的。该Al2O3涂层工具在N2环境中不会硝化，因此N2是除常规所用的Ar以外也可行的保护气体。附图说明现将参照附图更详细地公开本发明的实施方式。图1示出根据本发明的一个实施方式的摩擦搅拌焊接工具的一个实施例，其在同一工具上具有两个相反探头。具体实施方式现将参照附图，其中将本发明的各种元件以数字标号。应了解，以下描述仅是示例性的，并且本发明的范围由所附权利要求书限定。图1示出根据本发明的一个实施方式的摩擦搅拌焊接工具1。工具1包括主体2，并且在工具的每一末端存在肩部(shoulder)4和探头3。摩擦搅拌焊接工具1由硬质合金制成并且将所述工具1完全涂布，即用表面涂层涂布工具1的所有外表面，即主体2、肩部4和探头3。在摩擦搅拌焊接工具1上，将两个探头3彼此相反地排列，以当第一探头3在摩擦搅拌焊接工艺中工作时，第二相反探头3是不工作的。在摩擦搅拌焊接工艺期间，探头3之一位于两个待焊接板之间，并且其肩部4就位于接缝上方。在摩擦搅拌焊接工艺期间每次仅一个探头3是工作的。当第一个探头已经磨损时，例如可使用另一探头3。以下实施例旨在示例本发明。实施例1-耐化学性测试在如下浇铸测试中评价样品A、B、C和D的耐化学性，其中将样品部分地浇铸成低碳钢。样品A、B、C和D中的每一者都是由如下的硬质合金制成，其包含90重量％的粒度为5μm(根据杰弗里斯平面测量法测得，ASTME112)的WC、4.7重量％的Co、4.3重量％的Ni和1重量％的Cr。在浇铸测试之前对样品A、B和C进行CVD涂布。用3.3μm厚的TiN中间涂层和10μm厚的Al2O3外表面涂层涂布样品A，用4μm厚的TiCN表面涂层涂布样品B，并且用4μm厚的TiN表面涂层涂布样品C。将经过涂布的样品A、B和C以及未涂布的样品D浇铸成低碳钢。钢的熔点是1565℃。将每一样品部分地渗入熔化的钢中持续十分钟，此后使钢在空气中自冷却至室温。在浇铸测试之后，贯穿切开(throughcut)每一个部分浇铸的样品，并且在扫描电子显微镜(SEM)中研究贯穿切口。在这个浇铸测试中样品B、C和D溶解，而样品A1未示出溶解迹象，因此具有良好的耐化学性。将结果总结并示于表1中。表1样品涂层涂层厚度耐化学性ATiN+Al2O3(本发明)3.3μm+10μm好BTiCN(对比)4μm差*CTiN(对比)4μm差*D无涂层(对比)-差**硬质合金过度溶解实施例2-氧化测试制备样品E、F和G并且在如下氧化测试中评价其抗氧化性，其中在炉子中在空气中热处理所述样品。样品E、F和G中的每一者都是由如下的硬质合金制成，其包含90重量％的粒度为5μm(根据杰弗里斯平面测量法测得，ASTME112)的WC、4.7重量％的Co、4.3重量％的Ni和1重量％的Cr。在氧化测试之前对样品E、F和G进行CVD涂布。用2μm厚的TiN中间涂层和6μm厚的Al2O3外表面涂层涂布样品E，用4μm厚的TiAlN表面涂层涂布样品E，并且用4μm厚的TiN表面涂层涂布样品G。在氧化测试中对经过涂布的样品E、F和G进行测试。这个氧化测试包括在炉子中在950℃下在空气中处理所述样品12小时。在空气中将样品冷却至室温，并且在测试之后基于其外观进行评价。如果样品未示出任何氧化迹象，那么认为抗氧化性良好。如果样品氧化或表面裂开或整个样品裂开，那么认为抗氧化性是差的。将结果总结于表2中。表2样品涂层涂层厚度抗氧化性ETiN+Al2O3(本发明)2μmTiN+6μmAl2O3好FTiAlN(对比)4μm差*GTiN(对比)4μm差**硬质合金过度氧化实施例3-摩擦搅拌焊接测试用三种不同的探头即探头H、I和J进行摩擦搅拌焊接测试。所有探头都由硬质合金制成并且具有如下的圆柱形肩部，其具有锥形销，销直径为约5mm，并且肩部直径为16mm。在两块4mm厚的Al、Cu或低碳钢(C：0.2％，Si：0.3％，P：0.04％，S：0.05％，Fe：余量，硬度为30HRC)板之间的接缝中进行焊接测试。在焊接速度150mm/分钟、最大下压力230kN、转速300rpm和倾角1.5°下进行测试。探头H未经过涂布并且由所谓的C10C级硬质合金制成。C10C级是包含4.7重量％的Co、4.3重量％的Ni和1重量％的Cr、90重量％的WC的硬质合金，其中平均WC粒度是5μm。在Al、Cu和低碳钢(具有上述组成)中的摩擦搅拌焊接中对探头H进行测试。探头H的摩擦搅拌焊接测试进行12米。Al和Cu中的摩擦搅拌焊接测试的结果分别是，所述探头在测试完成之后未显示任何损伤。所述低碳钢中的摩擦搅拌焊接测试的结果是，探头的顶部在测试完成之后消失了。探头I未经过涂布并且由所谓的S6级硬质合金制成。S6级是包含12重量％的(Ta,Nb,Ti)C、11重量％的Co和77重量％的WC的硬质合金，其中平均WC粒度是2μm。在Al、Cu和低碳钢(具有上述组成)中的摩擦搅拌焊接中对探头I进行测试。探头H的摩擦搅拌焊接测试进行4米。所述低碳钢中的摩擦搅拌焊接测试的结果是，探头的顶部在测试完成之后消失了，并且在工具中观察到裂缝。探头J由如下的硬质合金制成，其是所谓的C10C级硬质合金，并且完全涂布有如下的表面涂层，包括TiN中间涂层和Al2O3外涂层。该TiN涂层为0.3μm厚并且该Al2O3涂层为15μm厚。C10C级是包含4.7重量％的Co、4.3重量％的Ni和1重量％的Cr、90重量％的WC的硬质合金，其中平均WC粒度是5μm。在低碳钢(具有上述组成)中的摩擦搅拌焊接中对探头J进行测试。探头J的摩擦搅拌焊接测试进行40米。所述低碳钢中的摩擦搅拌焊接测试的结果是，该工具未显示任何涂层损伤，并且未观察到裂缝。将摩擦搅拌焊接测试的结果总结于表3中，该结果显示，由用Al2O3外层涂布的所谓C10C级硬质合金制成的探头J具有高性能。这表明探头J在钢中进行摩擦搅拌焊接测试期间具有足够高的抗氧化性、高的耐化学性、高的强度和热硬度。在测试之后该探头中不存在裂缝还显示出针对热机械疲劳的高抗性。表3虽然参照本发明的优选实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应显而易见的是，可在不脱离如在所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下作出各种改变和/或调整。一般地，仅旨在由以下权利要求书限制本发明。