沉积摩擦搅拌焊接方法和装置的制作方法

专利名称：沉积摩擦搅拌焊接方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及摩擦搅拌焊接，更准确地说，涉及包括在摩擦搅拌焊期间提供附加的固态源的摩擦搅拌焊接方法。
背景技术：
摩擦搅拌焊接是一种固态连接方法，其提供的材料变形类似于挤压锻造的材料变形。由于摩擦搅拌焊接方法在低于工件材料的熔点温度进行，因此，例如在熔焊型焊接中常见的有关凝固的缺陷，基本上被消除，并且，摩擦搅拌焊通常可提供较高的连接强度。另外，用于摩擦搅拌焊方法的低热量输入与其他的焊接方法相反，从而导致较少残余应力、较少变形以及较少的冲击而影响工件最终的金相性质。许多接缝设计可以利用摩擦搅拌焊接，其中包括但不限于角焊缝和T形接头。
如图1和图2所示的现有技术，典型的摩擦焊接搅拌装置10使用柱状的、具有轴肩的工具12，所述工具12带有任选轮廓的销14，销14可旋转地、缓慢地进入到两块片材或板材18、20之间的结合缝16中，所述片材或板材18、20被机械夹紧装置22对接(abutted)在一起并被夹紧。典型的机械夹紧装置包括顶板26和顶板28以及螺栓24，用于在操作期间锁紧它们之间的对接工件18、20。摩擦热是在旋转工具10和由对接工件18、20所确定的结合缝16周围的直接接触区域之间产生，这种情况导致结合缝16附近的区域在未达到熔点的情况下发生软化和塑性流动。由于旋转工具横过结合缝，可塑性材料由工具的前沿转移到工具轴肩和销的后沿，从而在两个工件之间留下固相接头。为了终止焊接，就要终止沿焊缝的线性移动并且旋转工具从工件表面缩回，留下一个出口小孔。提供随后可被移动的脱离区域可以消除出口小孔，但这并不总是可行的而且成本较高。消除出口小孔效应的替代方法已经有所发展，比如，利用可变的穿透工具，在横过焊缝线时，其可慢慢地缩回。这可以导致从非焊接区域到完全焊接区域再回到非焊接区域的平稳过渡。其他已知的消除出口小孔效应的方法包括修改销的轮廓。现行的方法在消除出口小孔效应上并非全然有效。
现行的摩擦搅拌焊接方法的另一个正实施的问题是该焊接方法具有产生焊火花材料以及导致沿焊缝线的材料普遍变薄的倾向。焊缝线附近截面的厚度的减少降低了接头的正常负荷。这样的强度降低必须由厚度补偿设计来减轻，并且这种补偿在许多位置尤其在板材连接应用中是很重要的，在那里必须横穿整个板的宽度来构成附加厚度的补偿。此外，焊火花材料的产生为操作人员带来了安全隐患并要求进一步地后处理。
因此，补偿焊火花的产生和沿焊缝线材料普遍的变薄，以及提供从非焊接区域到焊接区域相对平稳过渡，将成为合乎需要的摩擦搅拌焊接方法。

发明内容
这里公开的是沉积摩擦搅拌焊接方法和装置。在一个具体实施例中，连接工件的摩擦搅拌焊接方法包括在结合缝附近及上面放置填充材料，所述结合缝是由将第一个工件表面相对于第二工件表面邻接而形成的，摩擦加热填充材料来软化填充材料以及第一、第二工件表面与填充材料热接触的部分，在第一、第二工件表面形成焊缝，其中摩擦加热的温度低于填充材料的熔点和第一、第二工件表面的熔点。
摩擦搅拌焊接装置包括柱状、具有任选轮廓销的轴肩旋转工具；以及与旋转工具操作连接的第一模具，第一模具包括延伸贯穿顶面至底面适于容纳至少一个旋转工具的轮廓销的孔、和凹进部分，其中凹进部分具有大于形成在两个或更多对接被焊工件之间的结合缝的宽度。
在另一个具体实施例中，用于沉积和围住工件表面的方法包括在低于工件熔点的温度下摩擦加热所选的工件表面，其中所选的表面被软化；并用一模具包含住软化表面以围住表面并防止焊火花材料在摩擦加热期间被排放。
还有另一个具体实施例，点摩擦焊接方法包括摩擦加热工件表面上的一点到有效软化该点和点附近区域的温度，其中所述温度低于工件表面熔点；并包含住所述点以防止焊火花材料从工件表面排放。
所公开的内容通过参照下列对公开的各种特点和包括在其中的实施例的详细说明将会更加容易理解。


现在，参照附图，其中相同的元件使用相同的附图标记图1为阐明现有技术中的摩擦搅拌焊接设备的透视图；图2示意地阐明图1中属于现有技术的摩擦搅拌焊接设备的截面；图3是供旋转工具装置使用的模具和填充材料装置的透视图，所述旋转工具装置用于实现根据本发明公开的沉积摩擦搅拌焊接方法；图4是模具的仰视透视图；图5是根据本发明的另一实施例的模具的俯视透视图；图6和7阐明根据现有技术的电阻焊接方法，对型号5754和型号5182铝材进行电阻点焊的俯视图；图8和9分别为利用根据本发明公开的点摩擦搅拌焊接方法点焊铝材的俯视图和横截面视图；图10阐明用于修整工件侧面轮廓而形成设计结构的沉积摩擦搅拌焊接方法；图11阐明根据本发明另一实施例，适合于修整工件侧面轮廓而形成的设计结构沉积摩擦搅拌焊接方法。
具体实施例方式
申请人已经揭示了一种摩擦搅拌焊接方法，所述方法可以在两个或更多工件的固态连接操作期间补偿焊火花和沿结合缝的材料的普遍变薄问题。根据本发明公开的摩擦搅拌焊接方法，其利用通常包括，在摩擦搅拌焊接两个或更多对接的工件期间沿结合缝的接头区域沉积附加固态材料(在这也被称作填充材料)的所谓的沉积摩擦搅拌焊接方法。如以下的详细描述，附加固态材料被如此引入到接头区域以便于牵制焊接自由表面和成形焊接轮廓的形状。同样地，可形成相比现有技术的摩擦搅拌焊接方法具有较厚截面厚度的最终的焊缝，从而克服多个上述提到的现有技术中的问题并提供适合于以前难以完成的多种应用、更通用的摩擦搅拌焊接方法。
在一具体实施例中，所述方法包括以如图3所示的方式在待连接的工件18、20的对接结合缝16上方放置模具30。模具30被成型至少覆盖由待连接的对接工件提供的接头的一部分，并适于接收填充材料34。在焊接期间，如箭头32所示的负荷施加于模具上以保持模具同工件表面的接触。
如图4更加清楚地显示，模具30包括顶面36和底面38(为了清楚起见，模具30相对于其实际使用被倒置而进行说明)。孔40贯穿顶面36至底面38，并适于接收旋转摩擦搅拌焊接设备10的柱状轴肩旋转工具和任选轮廓的销14，适当的例子如图1和2中的现有技术所示。凹进部分42成形在底面38，并如图所示从模具的一端延伸至相对的一端。凹进部分42与孔40相连续。虽然模具30作为通常具有方块形状被阐明，但是其他的形状也是允许的并在公开范围内。模具优选具有高于填充材料34或待焊工件18、20的熔点温度和强度。
凹进部分42限定了进入区44和挤出区46。作为参考，在连接两个工件18、20期间，利用旋转工具10沿结合缝16的平移方向运行，进入区44在孔40前方，反之挤出区46在后方。因而，在操作期间，旋转工具横过进入区下面的区域来连接工件18、20。进入区44优选具有可补充填充材料34轮廓的外廓。同样地，进入区44的尺寸适合容纳填充材料34，其在焊接操作期间被插入到进入区44中。相反，挤出区46在从工具的前沿转移到后沿时，适合于接收并成型增塑材料。挤出区46可以包括任何特别应用所要求的轮廓，以便获得成型焊接轮廓。在图4中，挤出区46被描述为具有锥形外廓。
通常，凹进部分的宽度W至少大于限定结合缝16的间隔，那就是说，与对接工件18、20之间的间隔重叠。在其他的具体实施例，凹进部分的宽度等于或大于孔40的直径。
再次参照图3，填充材料34优选覆盖所要焊接的结合缝16的长度，也就是说从最初的焊点起直到孔40附近。依据应用，填充材料34可以从模具30延伸或全部包含在模具30内部。另外，需注意的是填充材料可以是单个条状或是包括形成填充带的许多条，也可以是粉末，可以是丸状，等等。
在其他的具体实施例中，可应用替代填充材料34的注入结构。在一具体实施例中，填充材料穿过分离通道插入到搅拌区。也就是说，分离通道可以不依赖进入区或可以替换进入区。在这些和多个如上所述具体实施例中，可利用任何手段插入填充材料形成搅拌区，比如，穿过工具的轴线的进行泵送的活塞，等等。另外，旋转工具本身可以成形用来提供填充材料到搅拌区。这样的修改属于本领域技术，并未脱离本发明公开的范围。本发明的方法不是意指限于任何特别的填充材料泵送方法或形成。
沉积摩擦搅拌焊接方法包括夹紧待连接工件18、20。随后模具30放置在结合缝上，并注意结合缝16与凹进部分42对齐。填充材料34插入凹进部分42的进入区44中，覆盖结合缝16的一端到另一端。然后旋转工具10(图1和图2)慢慢插入孔40中并位于填充材料34上。摩擦热在销14和填充材料34之间产生，其导致填充材料34未达到熔点而软化。摩擦热也就地转移到工件18、20下层的接头区域，其同时沿结合缝软化工件部分来形成两个工件18、20之间的固相连接。由于旋转工具10沿结合缝16横过，增塑材料(填充材料和工件材料)由工具的前沿转移到工具轴肩和销的后沿。当转移到后沿时，凹进部分42的挤出区46帮助形成最终焊接轮廓，所述最终焊接轮廓，由挤出区46的轮廓限定，并在两个工件18、20之间留下一个固相接头。为了终止焊接，要停止线性移动，且工具10从孔40缩回。需注意在一具体实施例中，在沉积摩擦搅拌焊接过程中，旋转工具10和模具30沿被固定夹紧的工件18、20的结合缝16横过。在加工期间，负载施加于模具30且反向压力施加给填充材料34。当旋转工具10沿结合缝16横过，模具30同工件18、20和填充材料34滑动接触。模具30同工件的滑动接触由压力触点保持，并且在焊接期间模具30沿工件18、20的表面持续地滑动。可选择地，滚子或其他的驱动轮加载装置可以结合或附着于模具30的底面以促进在摩擦搅拌焊接过程期间的滑动。在以上现有技术加工中需注意的出口小孔效应可通过在用向下压力和填充材料的进给来保持拉模压力的同时，缩回旋转工具来而避免。出口可在有或没有线性运动而产生。
在其他的具体实施例中，工件18、20可相对于安装的旋转工具10和模具30线性地移动。在这些具体实施例中，填充材料34可被注入或者在靠近工件18、20平移的方向上运动。
填充材料34本身优选与待连接的工件18、20材料相同，或选择具有相似性质或可以包括不同的材料以提供焊接所需的金相性质。填充材料34可考虑可消耗的进料，其加入到焊缝以提高焊缝金属的量并沿焊缝线沉淀成被连接的工件。如上所述，由于填充材料34与模具的结构被整体利用，所以可有效地防止焊火花形成与/和焊接区域变薄。此外，根据填充材料34的厚度，可以提供附加的填充材料来形成焊缝，从而为焊接接头提供增加的负载电阻。例如，如果需要，可获得的截面厚度大于连接工件的最初的截面厚度。
如上所述，由对接的工件18、20和填充材料34提供的接头区域在搅拌区内为可塑的，也就是说，在摩擦加热的局部区域周围为可塑的。可塑材料被模具30和位于另一侧的工件18、20的表面提供的挤出区46限止自由流动。因而，有效地消除了焊火花材料的自由形成。此外，随着旋转工具10和冲模30的前进，迫使增塑材料被挤压成挤出区46。而且，需注意的是，挤出区46的成型形状可以修整为最终用户要求的焊接外型。同样地，挤出区46的轮廓可方便地确定为所设计的焊缝形状，其可容易于设计为用以最小化压力的特别应用中，例如，最佳化用于特别应用的焊接几何形态。
在另一个具体实施例，如图5所示，该方法进一步包括应用相对模具50，即，后板，与相连的工件18、20和模具30一同形成一个类似三明治的排列。模具50包括凹进部分52，其可与上模30的凹进部分42近似或不同，这取决于所要求的焊缝轮廓。有利地，这种设置准许在相连工件的两个上下表面都形成对称焊缝而没有焊火花材料的损失和没有从两边变薄。选择性地，填充材料34可以按照所述的有关凹进部分42的类似方式供应给凹进部分52。
在一些具体实施例，模具30、50可用于实行机械夹紧。也就是说，螺栓与模具30、50连接操作以固定保持工件18、20处于固定的位置。在这些具体实施例中，整个三明治装置(模具30、50和工件18、20)相对于旋转工具移动并且填充材料34也被连续注入。在另一个具体实施例中，工件可以利用熔焊、摩擦或其他的降低夹具技术要求的手段被定位焊接在一起。
有利地，可以单道或多道实行沉积摩擦搅拌焊方法，后者在摩擦搅拌焊方面表现出重大的商业利益和进步。在现有的摩擦搅拌焊方法中，焊缝可在单个焊道上完成或完全不是作为在那些结构限制的直接结果而完成。然而，这里描述的沉积摩擦焊接在焊缝的厚度方面，准许利用具有连续组合的多条焊道，从而即使没有不利情况，也可以提供有关熔焊的有利方面。此外，由于单焊道方法通常要求在工件上有大的载荷以提供有效的焊缝，因此通过利用多条焊道，可以使夹持载荷显著地降低。因而，沉积摩擦搅拌焊接方法尺寸不受约束，从而致使该方法适于使用用于连接小尺寸板的相同设备来连接大尺寸的板。按照对此技术现状的认识，设备的费用并非与尺寸大小呈线性比例。也就是说，现有技术的旋转工具是成比例的以调节相连工件的尺寸，因为只有单个焊道适于现有技术的工具和结构。本发明的沉积摩擦搅拌焊方法和结构能够用于多条焊道，因此提供了利用相对小的旋转工具经济地焊接具有相对大尺寸的工件的方法和结构。利用沉积摩擦搅拌焊接方法连接多条焊道的另一个优点是较硬的材料可以更有效地被焊接。通常，较硬材料的单道焊对工具加压并导致对工具的许多元件造成重大的磨损，例如，销。由于使用多条焊道，各焊道的压力比起现有应用单焊道的加工方法可最小化，这是因为制造单焊道要求较高的轴向和扭矩负荷。
除上述的优点之外，在这里描述的沉积摩擦搅拌焊接方法现在可以用于点摩擦焊接(SFW)方法。在典型的SFW方法中，旋转工具就地插入或缩回并没有沿结合缝直线运动而导致在工具的缩进上产生出口小孔效应。而且，观察到形成焊火花并在局部的区域变薄。更进一步，现有技术中的点焊方法一般使用电阻基点焊方法，其已知易于在点焊缝中形成气孔，这就降低了机械性能。然而，利用在这里描述的沉积摩擦搅拌焊方法，通过利用模具和填充材料可牵制焊火花和成型焊点轮廓，并有利地消除如已知工艺中出口小孔效应和最小化和/或消除气孔的形成。例如，图6和7为对型号5754和型号5182铝材进行电阻点焊的俯视图；两幅图清楚地显示了有关技术中不符合要求的焊点点核多孔性。图8和9为利用点摩擦搅拌焊接方法(SFSW)焊接铝材的点焊缝的俯视图和横截面视图；得到的点焊缝是干净的并不存在焊点点核多孔性。沉积SFSW可用于消除由于焊火花和小孔效应产生的材料损失。
沉积摩擦搅拌焊方法也经得起快速原型法的检验。牵制模具，例如，30，可以容易地改进以调节快速原型法。例如，图10为说明工件20的侧面被挤压并被成形以产生所设计的结构的例子。
图11所示为替代的轮廓排列。如图所示，模具60包括垫板62、顶板64、和按以上所述的方式用于接收摩擦搅拌焊接设备(未显示)的有孔板66。垫板62用于逆向驱动摩擦搅拌焊接设备10的负荷。填充材料34放置在修整外形的工件18上，且模具60或工件18沿结合缝68移动以便于通过摩擦搅拌装置10将填充材料34连接到工件，如通常显示的外轮廓表面70。垫板62和顶板64间的距离是可变化的，所述变化可通过独立运动来调节工件厚度的变化，比如，翼面，等等。此外需注意垫板62和/或顶板66的后沿可进一步包括凹进部分(未显示)以便提供在一些应用中所要求的平滑的和连续的侧面。在一具体实施例，所有的外轮廓表面都是可塑的以保持整个结构的同系性质，也就是说，整个结构都将进行搅拌工艺。
除快速原型法之外，沉积摩擦搅拌焊缝最适合用于修补。目前使用熔焊的修补方法是常见的，但由于在方法中使用高温会出现问题。虽然材料可以在加工过程中被加入，但是用于熔焊的高温可以导致不符合要求的晶粒长大和造成热变形、破坏性地影响机械性能和造成热变形。通过利用这里描述的沉积摩擦搅拌焊方法，可产生高级的修补，因为形成修复要求较少的加热。例如，在精密光亮磨光铸件上，由于有关矫正由熔焊引起的热变形的耗费而不能时常地修补。使用沉积摩擦搅拌焊方法，变形最小化成为修补的经济合算的选则。机器人可用于自动化摩擦搅拌焊接方法。
运用例子进行描述以此来公开本发明，包括最佳方式在内，并且能够使所属技术领域的专业人员实现和使用本发明。本发明可以取得专利的范围由权利要求书定义，并包括本领域技术人员可想到的其他例子。这些其他的例子，如果它们的构成单元与权利要求书的文字表述没有区别，或者如果它们包括与权利要求书的文字表述无实质差别的构成单元，则其确定为在权利要求书的范畴内。
附图标记10现有技术摩擦搅拌焊装置38模具下表面12轴肩工具 40孔14轮廓销36模具上表面16结合缝42凹进部分18片(板)材 44进入区20片(板)材 46挤出区22机械夹紧装置 50相对模具24螺栓 52凹进部分26顶板 60模具28底板 62垫板30模具 64顶板32箭头 66有孔板34填充材料 68结合缝
权利要求
1.连接工件的摩擦搅拌焊方法，该方法包括在由第一表面工件(18)对接第二工件表面(20)而形成的结合缝(16、68)的周围和上面放置填充材料(34)；和摩擦加热填充材料以致软化填充材料(34)以及第一、第二工件表面(18、20)与填充材料(34)热接触的部分，并在第一、第二工件(18、20)之间形成焊缝，其中摩擦加热的温度低于填充材料(34)和第一、第二工件表面(18、20)的熔点。
2.如权利要求1所述的方法，其中放置填充材料(34)包括将填充材料(34)插入到搅拌区(44)中。
3.如以上任一权利要求所述的方法，进一步包括包含住软化的填充材料(34)和第一、第二工件(18、20)部分。
4.如以上任一权利要求所述的方法，其中摩擦加热填充材料(34)是沿结合缝(16、68)往返移动的方向进行。
5.如以上任一权利要求所述的方法，进一步包括在结合缝(16、68)上面和周围多道摩擦加热填充材料(34)，以增加焊缝的截面厚度。
6.如上述任一权利要求所述的方法，进一步包括相对于第一、第二工件表面(18、20)对接至少一个附加工件表面，用来形成结合缝(16、68)。
7.一种摩擦搅拌焊装置包括柱状的、轴肩旋转工具(12)；和与旋转工具(12)可操作连接的第一模具(30)，第一模具(30)包括贯穿顶面(36)至底面(38)的孔(40)和凹进部分(42)，所述孔适于容纳旋转工具(12)，其中，凹进部分(42)具有大于结合缝的宽度，所述结合缝形成在要被焊接的两个或更多对接的工件(18、20)之间。
8.如权利要求7所述的装置，其中第一模具(30)的熔点大于填充材料(34)和要被焊接工件(18、20)的熔点。
9.如权利要求7所述的装置，其中，凹进部分(42)绕底面(38)侧向延伸从冲模(30)的一端到相对的一端。
10.如权利要求7所述的装置，其中，凹进部分(42)包括挤出区(46)，用于形成焊缝轮廓并防止在摩擦搅拌焊过程中焊火花材料被放出。
全文摘要
本发明涉及一种连接工件(18、20)的沉积摩擦搅拌焊接方法，包括在由第一表面工件(18)对接第二工件表面(20)而形成的结合缝(16、68)的周围和上面放置填充材料(34)；和摩擦加热填充材料以致软化填充材料(34)以及第一、第二工件(18、20)表面与填充材料(34)热接触的部分，并在第一、第二工件(18、20)之间形成焊缝，其中摩擦加热的温度低于填充材料(34)和第一、第二工件表面(18、20)的熔点。在这里也公开了用于沉积摩擦搅拌焊的摩擦搅拌焊接装置以及沉积填充材料(34)和修复工件表面(18、20)的方法。
文档编号B29C65/06GK1978118SQ200610064788
公开日2007年6月13日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者D·P·米卡 申请人:通用电气公司