通过线性摩擦焊接获得的改进的结构元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据线性摩擦焊接方法焊接金属构件。更确切地，本发明涉及将包括 具有细长晶粒的锻制铝构件的两个构件焊接在一起。
【背景技术】
[0002] 线性摩擦焊接（LFW)是一种涉及到一个部件在另一个部件的面上以往复运动进 行受压摩擦的焊接方法。往复运动产生使界面处的材料变软的摩擦热，并且结合法向力，将 此最初界面材料作为飞边（flash)推出。此过程继续直到足够的材料（通常几毫米）已经 "熔化焊穿（burn-off) "并且已经作为飞边被排出为止，随之振荡停止并且两个构件被迅速 地对齐并且维持最终"锻造力"来巩固接合部。机械加工或研磨可以随后去除在LFW过程 期间产生的飞边。此方法最近已经引起人们的兴趣来装配铝合金。
[0003] 专利申请US 2003/0168494描述了一种构造用于在形成机械加工的结构组件中 使用的预制件的方法，其中构件被摩擦焊接。
[0004] 专利申请US 2007/0084905描述了一种使用摩擦焊接制作拼焊板的方法，其中结 构构件被设置有倾斜角。
[0005] 如在专利申请US 2006/054252中认识到的，LFW的一个缺点是最终抗拉强度和延 伸率与母体金属相比显著下降。延展性的损失在某些情况下可以使得使用LFW装配构件不 切实际或甚至不可能。已经提议使用进一步热处理以恢复铝合金在LFW过程期间损失的强 度。
[0006] 应注意，对于焊接组件，延伸率是应变在焊接区域之内如何局部分布的至少部分 表示。在焊接区域中机械特性受影响，当延伸率增加时，可能意味着焊接区域更小。
[0007] 根据结构组件的大小和形状，或许不可能实现焊接后热处理；结构组件在某些情 况下必须在被焊接和被进一步机械加工时才被使用。即使当实现焊接后热处理时，进一步 提高焊接接合部的机械特性将是有用的。
[0008] 本发明解决的问题是提高通过线性摩擦焊接获得的焊接接合部的机械特性。尤其 是，提高焊接组件的延伸率是有利的，其如解释的涉及减小受焊接影响的区域的扩展。还需 要改善焊接组件的强度特性和疲劳特性之间的平衡。
【发明内容】
[0009] 本发明的一个目的是一种通过沿着平坦表面焊接而形成物品的方法，该物品包 括：至少第一金属构件（10)和至少第二金属构件（11)，该第一金属构件为具有在纵向方向 (L10)上的细长晶粒的铝合金锻制产品的形式，其根据ASTM E112在纵向定向的表面中的 各向异性指数至少是4和/或根据ASTM E112在平面定向的表面中的各向异性指数至少是 1.5,其中
[0010] -该第一金属构件（10)被定位成与该第二金属构件接触，使得细长晶粒的所述纵 向方向（L10)被大体上定位在焊接平面之内，
[0011] -该物品通过线性摩擦焊接形成。
【附图说明】
[0012] 图1是描述线性摩擦焊接方法的总图。
[0013] 图2例示根据用于限定晶粒定向的ASTM E112的标记法。
[0014] 图3例示用于实施例的标记法。
[0015] 图4例示本发明的一个实施方案。
[0016] 图5例不本发明的一个实施方案。
[0017] 图6例示对于实施例1在强度和延伸率之间的平衡。
[0018] 图7例示对于实施例2在强度和延伸率之间的平衡。
【具体实施方式】
[0019] 合金是按照本领域技术人员已知的铝业协会（AA)的规定命名的。在欧洲标准EN 515中表明了冶金状态的定义。
[0020] 除非另有规定，通过根据标准EN ISO 6892-1的抗拉测试确定静态机械特性，或者 说极限抗拉强度UTS、0. 2%偏移抗拉屈服应力TYS以及断裂延伸率E，通过标准EN 485-1 限定测试的采样和方向。对于焊接组件，使用30mm的计量长度计算TYS和E。
[0021] 在以下参数下根据ASTM E466-07针对测试样本FPE 5A Kt 1. 032(具有3mm厚度 的平坦样本）执行疲劳测试：振荡频率：f = 50Hz，振荡最大应力：σ = 275MPa，最小应力/ 最大应力比：R = 0. 1，允许的最大循环数目：N = 1000000循环。
[0022] 图1描述了线性摩擦焊接操作。两个构件（10)和（11)并排放置。一个构件被放 置成沿着振荡方向振荡运动并且然后使所述两个构件接触。构件（10)(其例如是锻造构 件）被固定，然而构件（11)(其则是振荡构件）正沿着振荡方向（12)振荡。
[0023] 法向力逐渐增加至设定摩擦压力，振荡的频率和幅度也被设定。软材料层不再能 够支撑法向力并且被挤压成"飞边"。界面处的材料在此阶段内不再在滑动摩擦下。
[0024] 振荡运动在已经达到如下期望的参数之后减小：熔化焊穿（用于轴向缩短限制值 的LFW参数，单位mm)、绝对位置（单位mm)、时间（单位s)或者这三者的结合。两个部件 被对齐，法向力增加高达锻造压力参数的值。此阶段被称为减速阶段。最后，锻造阶段允许 所得接合部冷却，同时维持轴向压缩力一一锻造压力。
[0025] 对于给定的金属合金，在给定的冶金回火中，焊接参数可以被优化以在使用可能 的最快焊接速度的同时获得其视觉质量令人满意且其机械强度和/或延伸率被最大化的 焊接。焊接参数基本上由振荡幅度和频率、摩擦压力、锻造压力以及熔化焊穿（_)限定。
[0026] 本发明涉及至少第一金属构件（10)和至少第二金属构件（11)的线性摩擦焊接， 该第一金属构件为具有在纵向方向（L10)上的细长晶粒的铝合金锻制产品的形式，其中根 据ASTM E112在纵向定向的表面中的各向异性指数至少是4和/或根据ASTM E112在平面 定向的表面中的各向异性指数至少是1. 5。
[0027] 图2示出铝合金锻制构件（10)的晶粒定向，具有根据图7的标准ASTM E112的符 号。对于纵向定向的表面4晶粒的纵向方向是沿着测试线1(0° );或者对于平面定向的 表面/，:晶粒的纵向方向是沿着测试线P(〇° )。对于纵向定向的表面4晶粒的横向方向是 沿着测试线1(90° );或者对于横向定向的表面*，晶粒的横向方向是沿着测试线t(90° )。 对于横向定向的表面4晶粒的平面方向是沿着测试线t(0° );或者对于平面定向的表面 /，晶粒的平面方向是沿着测试线P(90° )。为了方便起见，在本申请中，晶粒的纵向方 向1(0° )、p(0° )也被称为L，横向方向1(90° )、t(90° )也被称为T，并且平面方向 t(0° )、p(90° )也被称为P，用附加数字表示所考虑的构件。例如，L10是第一构件（10) 的纵向方向。
[0028] 典型地，铝合金锻制产品是已经被充分加工以获得细长晶粒的乳制的、锻造的或 挤压的产品，其中根据ASTM E112在纵向定向的表面中的各向异性指数至少是4和/或根 据ASTM E112在平面定向的表面中的各向异性指数至少是1.5。优选地，根据ASTM E112在 纵向定向的表面中的各向异性指数至少是6或者甚至至少是8,和/或根据ASTM E112在平 面定向的表面中的各向异性指数至少是2或者甚至至少是4。
[0029] 本发明人已经发现，通过在LFW期间使用特定晶粒定向，可显著提高焊接的机械 特性。通常，通过使细长晶粒的纵向方向大体上垂直于焊接平面来焊接金属构件，因为构件 的机械特性在纵向方向上较高并且预期沿着此方向加载焊接物品是有益的。
[0030] 根据本发明，当至少第一金属构件（10)的细长晶粒的纵向方向（L10)被大体上定 位在焊接平面之内时，如例如图4中示出的，获得提高的焊接性能。出人意料地，LFW期间 最经典的晶粒定向，对于此定向细长晶粒的方向大体上垂直于焊接平面，提供比本发明更 低的强度和/或延伸率。在本发明中，"大体上"意味着与严格地"在…之内"条件或"垂直" 条件相比较存在数度的差别，典型地小于10度或甚至小于5度的差别，不显著影响结果。