专利名称：具有剪切位移步骤的感应焊缝成形方法
技术领域：
本发明涉及制造金属焊件的方法。本发明尤其涉及一种通过将剪应变引入邻接接触表面的材料中而引起结合来快速连接金属工件的方法，金属工件具有局部加热的配合面，其在非氧化或非钝化的环境中接触。
背景技术：
连接多个管子部分在用于生产石油和其它储层流体的井和管道的建设中是主要任务。制造成本和质量控制以及所产生的连接的技术属性导致总是存在追求更为有效且通用的连接的动机。环境要求进一步提高了这些需求，因为环境要求中的大多数属线性体系，其很少有余量或没有余量减轻即便是单次连接失败的后果。
就这样的管来说，最常用的连接方法是用于管道的电弧焊接和用于套管(casing)或完井的螺纹连接。这两者都属“单点(single point)”制造工艺。在电弧焊接中，电极材料渐增地沉积，螺纹接头通过在加工期间渐增地去除材料而成形。这样的单点工艺需要更详细的检查，且要求制造时间比“球形”连接方法如摩擦焊还长。此外，最近对于使用可膨胀管来完井的研究着重于更易通过焊接而不是螺纹连接来处理套管。
这些和其它长期意识到的工业要求由此激励着本发明人寻求发现更为可靠、高质量且快速的焊接结构。
同样的目的也带动了其它焊接方法的发展，比如WO03/055635A1中Alford等人的“Method for Interconnecting Tubulars by Forge Welding”和相关的US4669650中Moe的“Method for Joining Tubular Parts of Metal byForge/Diffusion Welding”。这些方法设法延申固态锻焊和扩散焊原理来实现冶金结合，其中通过引入还原性冲洗流体，飞边(flash)(即挤压材料)要比锻焊一般要求的少，时间也要比扩散焊一般要求的短。冲洗流体包括还原性气体比如氢气或一氧化碳，也许还混合有非活性气体比如氮气，且用于覆盖工件的配合端，其被局部加热，随后一起受压以形成锻焊缝。还原性气体结合其它手段(例如，低水蒸汽浓度)被理解成是为了最大程度地减少氧化物的存在，要不然会影响结合形成的速度和质量。这些方法，虽然明显地能快速产生高强度的固态焊缝，但却要极其小心地维持用于在工件端部均保持热的短时间(几秒)内促进结合的的冶金清洁度(degree of metallurgicalcleanliness)，且要求没有过多飞边。
扩散结合连接(也可称作扩散焊)一般是在低于需产生宏观形变(即，塑性流动)的应力下进行的，对于包括碳钢的大多数材料来说，需要基本上无氧化物的接合面。结合形成是在高温(一般大于熔解温度的一半)下耗时(按小时或分钟算，而不是秒)进行的。相比之下，比如通常用于产生ERW(电阻焊)管状产品的传统锻焊无需形成结合的相同清洁度或时间，但这些优点是在以需要会产生镦粗部或飞边的相当大的塑性流动为代价而换来的。在一般处于再结晶范围内的锻焊温度，该塑性流动降低对氧化物的存在的结合敏感性，因为除了将一部分挤压到通常必须去掉的飞边中以外，金属晶体的相关的大塑性变形促进了氧化物的吸收和分裂。
从上下文中可看出，显然，由Alford等人和Moe教导的焊接方法虽然证实了快速的“扩散优质”焊缝可通过冶金方面来实现，但却相对较脆。通过提供超净的接合面，它们仅能具备飞边尺寸要比典型锻焊要求的小的优点，而通过引入相当大的宏观塑性变形即飞边尺寸，它们也仅具备结合时间较短(与一般扩散焊的要求相比)的优点。
另一种试图满足该相同生产要求的固态焊接方法是披露在Lingnau的发明名称为“Improved Method of Solid State Welding and Welded Parts”的专利申请PCT/US99/25600中的“快速摩擦焊方法”。该参考文献披露了一种改进的摩擦焊方法，其中，通过感应预加热(在非氧化性环境中)提供用来将工件加热到热加工温度的大部分能量，而不仅仅依靠传统摩擦焊中的动能。正如Lingnau所述，该方法享有超越了传统摩擦焊的一些优点，其中的一些主要优点如下无需大动能储存装置比如飞轮或大功率驱动装置，由此机械设备轻便且成本低；焊缝可以较低的线速度乃至旋转频率形成，所述旋转频率通常是个实际的障碍，尤其是在连接长管子时；飞边较少较薄，也就减少了材料的浪费，且在一些应用场合中，飞边可足够小到留在原位，从而除去了去掉飞边所需的制造步骤。
即便Lingnau的方法仅需要传统摩擦焊的一小部分动能(根据Lingnau的权利要求1，“约等于10％”)，但是工件之间的相对速度必须是“约每秒四英尺的初始圆周速度[1.2m/s]”(页8，行18-19)，或是“顶锻速度[对于钢，约200ft/min，或1.026m/s]，其要比钢的正常最小摩擦焊线速度500-3000ft/min[2.54-15.24m/sec]小得多”(页10，行9-11)。因此，仍然希望有相当大的旋转或相对位移。例如，在提到连接直径为4.5英寸[114.3mm]的管子时，Lingnau给出了这样的启示，即“一旦到了热加工温度，便在顶锻压力下一同压两工件，使得旋转的工件在几转内几乎立刻减速”。另外，所提的旋转是接触之前所要求的。尤其是在连接长管状的工件时，该总的旋转或“快旋(spin)”量仍会给许多应用带来额外的复杂性和技术局限性，例如管道接头方面。
同样，虽然较之传统的摩擦焊减少了在生成焊缝时产生的飞边的大小，但该方法保留了作为摩擦焊工艺必要部分的顶锻力、单向压缩力的思想。显然，接合面上的热材料由此受到高的轴向应力，同时承受由于一般通过旋转施加的相对横向运动而产生的剪切。该应力状态必然在顶锻过程中挤出作为飞边的大量热材料。
和其它摩擦焊一样，该方法并不明确地控制因剪切引起的热加工量。根据公认的理解，一般在钢摩擦焊期间施加的大量剪切有时会在熔合线熔合线或其附近产生长条的低强度非金属夹杂物，比如硫化锰(MnS)。这样的夹杂物会加速裂纹的产生，从而减小了焊缝强度、韧性和抗疲劳性。
这种改进的摩擦焊方法虽然避免了由Alford等人和Moe教导的“改进的扩散焊缝”的脆性，但却保留了摩擦焊中的大部分复杂或笨拙的操作，其与连续的初始旋转或运动再加上大量的动能输入的需要有关。具体地说，有利的是，为实现焊接，工件之间的相对运动能以低线速度和低相对横向位移来完成，甚至还消除了一起“快旋”的需要，同时有助于防止过量的热加工和相关的有害冶金作用，此外，还减小了飞边量或其完全消除。
发明内容
本发明人已发明了一种用于结合金属部件的剪切辅助固态焊接方法。该焊接方法利用了热接触部分的结合特性，优选是在基本惰性的环境中，从而提供了一种新型固态焊接方法，其将剪应变引入与接触面或接合面紧邻的热材料层中以快速形成扩散般结合。所施加的剪应变采用有点类似于在液体中搅拌对扩散速度的影响的方式，相对于静应变条件下的一般扩散结合，大大加快了形成结合的速度。与一般的锻焊或电阻对接焊相似，如果材料处于热加工温度范围的话，该结合形成得最为容易。(在此通常这样理解热加工温度，即，指的是处在低于熔点的范围内但足够高的温度，不会在塑性变形中出现应变硬化，该特征温度的下限通常称作再结晶温度。)与这些现有的焊接方法相似，本发明由此提供了一种不用熔化而在高温结合金属部件的配合面的方法。然而，与扩散焊不同，本发明的结合可在几秒甚或一秒钟的若干分之几内形成。与摩擦焊不同的是，结合无需表面之间相当大(或任何)的相对滑动来消耗动能，从而最大程度地减小或消除表面之间初始相对速度的需要，需要的总位移距离甚至大大少于那些一般利用感应辅助摩擦焊的结合。与传统的锻焊不同，在本发明方法中施加的应变不会产生大的镦粗部或飞边。此外，本发明的方法利于几乎完全地控制飞边尺寸，不受锻焊或摩擦焊的“顶锻力”需求的影响。该剪切辅助固态焊接方法适于连接多部分管子，比如会用在管道、井眼的钻探和加套操作，以及其它应用场合，其中，焊接时间短、具有最小横向或剪切移动的滑动最小、飞边尺寸受控以及微观结构受干扰最小的任何或所有其优点都有益。
因而，根据本发明的宽泛方面，提供了一种连接金属工件的固态焊接方法，金属工件具有相对的、通常相配合的表面。在一个实施例中，本发明的方法包括的步骤有优选在非钝化(例如，非氧化)的环境中，加热配合面至金属热加工范围内的温度，加热和配合面几何结构适于形成与每个表面邻接的“热层”(即，材料在热加工范围内的厚度受控)，一方或双方的所述热层将在剪切应力作用到表面上时优先使剪应变局部化(localization)，且这样控制热层厚度，即，通过垂直于配合面调节温度梯度和/或选择性地调节配合面的面积；在仍保持于其热加工温度的同时使表面相接触，并施加足以引发对界面区域上的横向或剪切载荷的摩擦阻力的压缩应力，至少等于材料在其热加工温度上的剪切强度；相对于另一个施加一个工件的横向位移，在所述接触条件下的横向位移(即，剪切位移)将塑性剪应变引入构成热层的材料中，该剪应变逐渐使界面区域结合或粘聚(cohesion)，其中引进的塑性剪应变的大小和速度被控制成仍处在受结合材料的性能支配的限度和同时发生的热状态内，该限度通常被理解成包括结合活化剪应变(bond activation shear strain)其是足以获得界面区域的完全结合或粘聚的最小剪应变量(在此，把将通过剪切位移至少施加所述结合活化剪应变量的相应的处理阶段称作结合活化阶段(bond activationstage))最小剪应变速度确保结合活化阶段是在界定界面区域的材料冷却到低于热加工温度之前完成的平均最小剪应变速度，最大剪应变速度超出该应变速度，则绝热剪切带或其它不稳定机制可能出现；其中，所述剪切位移的模式可选择性地改变(例如，轨道、摆动、旋转或反向)，引入所述剪切位移的同时，控制部件的相对轴向位置，以便不仅实现所述的初始压缩应力，而且在结合活化阶段在接触面上保持足够大的轴向压缩应力来防止滑移并促进结合，可选择地，随后在现时结合的热层中施加附加的轴向应变来满足期望的最终飞边体积限度；该轴向应变甚至还可相反(即拉伸)，其中所述轴向应变可与附加的剪切应变相配合地施加，以相应地减少受相关联的金属流动特性支配的轴向应力。
相对配合面的加热可通过各种装置实现，包括电阻和高频率感应加热器。加热可在表面接触或分离时实现。
电阻加热可采取多种方式构造。该加热方法通常用于称作ERW(电阻焊)管的管子的缝焊。不过，它可被构造成还加热通常轴对称的配合面，例如美国专利4736084和5721413中示出了采用电阻(接触电极)来加热紧密靠近的两管子端部的方法。
感应加热具备这样的优点，即，无需引起电流在工件中流动的接触，不会产生电阻功率损耗和相关的加热。在美国专利4669650中，采用了一种方法，其通常用于通过以紧靠工件表面的方式同轴布置外感应线圈来感应加热管状或类似的轴对称的工件，以局部地加热界定相接触的两工件的配合面的材料。正如美国专利4947462所述，可采用在接触区域中进一步集中磁场的装置，其中感应线圈被封闭在一个铁磁性覆盖物中。在利于加热接触表面的同时，感应线圈在配合面的近旁(即，位于平面中)的这样的布置仅适于加热相对壁薄的部分，因为温度随着与线圈的距离拉远而降低，也即配合面平面中的温度梯度降低。
在PCT/US99/25600中，在间隔更远的配合面之间布置有单个同轴的感应线圈，用于同时加热两配合面。这种构造在需要工件在加热之后移动较大的距离来实现接触的同时，促进了每个分离的配合面平面中更为均匀的加热，由此利于较厚部分的焊接。因此，应用的要求将确定优选哪种感应加热的方法。对于薄的部分来说，可优选利用同轴布置的外线圈来加热的方法，以避免在加热之后(或许还在线圈移动之前)移动接触工件所需的的另加的机械复杂性。
不过，如在PCT/US99/25600中所述的，采用单个感应线圈来同时加热两个表面，虽然具备一定的结构简单性，但在实现两表面的均匀加热时却明显地存在实际困难。对于本领域的技术人员显而易见的是，单个感应线圈在加热期间与两个工件电磁耦合。由此优选加热最靠近的表面。为了防止一个表面过热或另一个表面不够热，线圈因此必须精确地定位，以在线圈与每个单独的工件表面之间平衡相关的间隙尺寸。
由于这些和其它的实际原因，本发明装置的一个实施例(尤适于焊接较厚部分)采用了至少两个感应线圈。加热期间，这些线圈相对放置，且与要焊接的配合面紧密靠近，从而根据本发明的启示提供了快速到达焊接需要的热加工温度的手段。这样的多个线圈避免了单个线圈的双重耦合敏感性。该加热方法容易垂直于要焊接的工件表面独立控制温度分布，且利于操纵该分布来形成垂直于表面的大的温度梯度，从而提供了低强度材料的较薄的“热层”，其形成邻接每个表面的材料的受控厚度。该加热方法还灵活地有利于另外进行的焊后热处理，其是本领域众所周知的，以另外控制焊缝性能。
正如本领域的技术人员显而易见的一样，感应加热器电流的持续时间、振幅和频率，联合加热线圈的几何结构、其与配合面的关系以及其它加热器设计变量都可布置成随时间来控制热量输入和深度。因此，本发明利用这种随时间进行的热量输入的控制在来确保提供足够厚的热层，以保证界面温度在接触时或此后不久能足以实现正被焊接的材料的快速粘聚或结合，并控制焊接过程当中及之后的冷却速度。该冷却速度的控制是与焊接步骤的时序相结合的，以确保所有或大部分剪切应变是在材料处于热加工温度的时候施加的，还控制焊后冷却速度而有利地影响焊缝的冶金和机械特性，如韧性。
与大多数扩散过程相似，界面区域上粘聚发展的速度随仍处在热加工温度范围内的温度增加。即便结合形成的速度因为塑性应变的存在而大大加快，由此仍需要最小温度来足够快地激发结合，以在结合活化阶段完全地结合界面区域，该温度一般稍大于再结晶温度(即，热加工温度范围的下限)。对于被焊材料，该最小焊接温度优选地是通过焊接试验来根据经验数据来建立，所述焊接试验在逐渐大于再结晶温度的温度条件下进行，直到相对于指定的剪切应变输入而观察到完全的结合出现。足以激发快速粘聚的温度优选地是在接触时存在，以最大程度地减小所需的剪切位移。不过，显然，通过塑性剪切应变输入的工作能量还会加热材料，由此会用于提高接触之后的温度，且因此使粘聚速度更高。
在加热方法需要表面在局部加热期间分离之时，应该理解到，在加热之后，表面必须较快地接触，以防止在施加剪切应变时冷却到低于热加工温度。正如要在下面进一步解释的一样，尽管剪切应变不会引入转变成热量的另外的机械能并由此提高温度，但较之传导和对流冷却的热损失，为实现结合而施加的与剪切应变相关的机械能加热的量不必太大。这样，与摩擦焊不同，本发明焊接方法的过程控制并不严格取决于作为热源的该机械能。正如在下面能更为明显地看出一样，与摩擦焊中滑动摩擦的贡献相比，因塑性剪切应变输入的能量损失引起的加热形成的贡献一般是小的甚至可以忽略。虽然如此，正如上面教导的那样，这并不排除应用剪切应变引起的热损失来提高温度，由此促进本发明方法更为快速的结合。
为摩擦焊中摩擦概念所固有的是，施加机械能来在接触的表面之间产生相对滑动以在界面区域中生热。较之这样的摩擦焊原理，本发明的一个新颖之处在于发现了在存在剪切应变的情况下，可在很短的时间内实现固态结合，无需从结合部件之间的摩擦中输入热量。本发明方法一些实施例的实施可附带地伴随接触时配合面之间的滑动，由此产生摩擦热，但这样的滑动和最终产生的摩擦热在大小上并不明显，无论怎样，对于本发明也不是必要的。
为了最大程度地减少或消除滑动，必须将轴向压缩应力保持在这样一个量，即等于或大于被接触面的摩擦系数特性除的在开始引入剪切应变期间在热加工温度所施加的剪切应力的值。由于通过逐渐引入剪切应变在界面区域中激发了结合或粘聚，因而防止滑移所需的轴向应力相应减小，这样，一旦界面区域的粘聚大部分完成时，在随后的剪切位移引发的塑性流动中，轴向应力实际上可从压缩应力转变成拉伸应力，而不会产生气穴或孔洞。这种特性容许与剪切应变同时地引入拉伸轴向应变，从而容易地有助于飞边尺寸的控制，如下所述。
已发现，实现结合所需的最小剪切应变量和速度的限度取决于要结合的材料的性质。这样，为了在指定组合的接触材料之间实现结合，在此称作结合活化剪切应变的最小剪切应变量必须要在材料处于热加工温度范围内达到。就这样的材料组合而言，按照经验，容易根据剪切位移距离配合上述的所需温度状况来确定结合活化剪切应变。由此看出，两材料之间应变的分布不必独立确定。
对于本领域的技术人员显而易见的是，结合区域中塑性剪切应变的量一般是与用施加的横向位移量除的热层总厚的值成比例的。由此通过热层厚度控制产生最小剪切应变量所需的横向位移量。同样明显的是，为使塑性剪切应变在该区域中局部化，工件相对于与配合面紧邻的而非别处的剪切载荷必须是最弱。正如所述的一样，因此提供了两个装置来在配合面局部弱化工件，由此控制剪切应变的局部化，从而限定热层厚度，因而要么材料屈服强度可通过局部加热局部地减小，要么截面积在紧邻配合面或熔合线的工件区域中减小。这些装置可单独或组合使用，依加热方法和应用需求而定。
例如，参照已经描述的用于焊接管状工件配合端的感应加热方法，利用感应线圈对管状端面直接快速加热容许通过垂直于加热表面施加高温度梯度来控制热层厚度。或者，在通过挨着配合管状端面布置线圈来进行感应加热时，不易实现垂直于配合面的高温度梯度。对于该加热结构而言，可通过在配合的工件端沿短间距减小壁厚，实现应变局部化层段长度乃至热层厚度的控制。
最小剪切应变速度是受两个因素支配的。首先，剪切应变必须足够快地引入来防止冷却到低于热加工温度，直到应变输入基本上完成之后，因此所需的最小剪切应变量(结合活化剪切应变)必须在材料仍处于其热加工温度时实现。其次，在需要足以防止被连接的部分之间发生滑移的轴向压缩应力的初始结合活化阶段中，挤出飞边的大小取决于受限热层中粘弹性的塑性材料性质。特别是因为这些条件下的流动特性上的粘滞效应，飞边量对于更高的应变速度(即，在更短的时间内轴向载荷存在而达到所需结合活化剪切应变)成为更小。因此，可将剪切应变速度用作另一种实现飞边尺寸控制的手段。
虽然已验证剪切应变量没有特定的最大边界，但通常来说，所有或大部分剪切应变必须在低于热加工温度冷却之前施加，以避免过度加工硬化或断裂的风险。塑性剪切应变可施加在任何方向上，包括完全反向。该特性有利于这样的应用场合，其希望配合部件的初始和最终相对横向位置相同，比如用于管道接头的。
尽管剪切应变量并未表现出具有上限，但已发现一些材料具有剪切应变速度的上限，且其通常归因于在高塑性流动速度条件下发生的绝热带软化或类似的材料不稳定性。将能理解的是，除了随时间控制温度外，在与剪切应变和速度相关的滑动距离方面，也必须解决热层厚度；也就是说，通常优选热层较薄，因为这样减小了实现充分应变所需的滑动距离。不过，热层厚度直接影响存储热能的材料体积。该热能需要防止在剪切应变完全施加之前过度冷却；因此，该要求实际上给最小热层厚度加了一个下限。
正如本领域的技术人员能理解的那样，出于描述飞边尺寸的目的，承受塑性变形的结合区内的材料体积被认为是固定的，因为金属能有效地抗压缩(塑性流动期间泊松比～0.5)。这意味着，负轴向应变或压缩轴向应变挤出材料，从而增大飞边尺寸，而正轴向应变或拉伸轴向应变收缩材料，导致飞边尺寸减小。显然，在结合开始进行时，要提供足以防止在剪切位移初期分配期间滑动的需求则必然导致飞边尺寸增大。
不过，本发明的另一个目的在于有利地利用该简单关系的其它方面，其中，在一个实施例中，提供了将载荷和位移控制相组合的手段来处理与剪切位移相关的工件之间的相对轴向位移，而不是仅仅提供一般在摩擦焊中采用的单向压缩载荷控制。有了此种控制轴向应变的手段，在剪切位移的早期结合形成间隔之后，在该实施例中，可通过将工件拉开即在初始结合之后施加拉伸轴向应变同时继续剪切位移来减小飞边尺寸。该拉伸轴向应变速度可大大小于所施加的剪切应变；因此，轴向应力状态仅需变得稍微伸张。(塑性流动特性的该方面类似于符合摩擦效应，其中单方向上的大滑动距离减小了对小正交位移的摩擦阻力。)该减小飞边尺寸的手段优选在剪切应变停止之后多施加轴向拉伸应变，因为所需的轴向应力由此达到最小程度，从而减少了设备载荷需求以及气穴或“热撕裂”的可能性。尽管如此，如果轴向应变是与剪切应变分开施加的话，一些应用场合仍可获得其它益处，比如改善了探伤。与仅提供施加单向轴向位移方式实施的过程相比，该实施例容易采用多种这样的载荷路径，以由此更好地适应各种应用场合的需要。
正如早已指出的一样，为摩擦焊中摩擦概念所固有的是，表面之间必须有相对滑动来产生热量。相对于如此的摩擦焊理解，在表面之间无明显(或任何)相对滑动的情况下能够形成固态结合的发现，使得该过程能够在表面之间有相对位移的情况下实施，界面中相对运动的相关速度明显小于公知固态焊接方法中所需要的，即便是感应辅助摩擦焊方法。同样，根据本发明的教导，由焊接引入的剪切应变量趋于最小，由此减小了在摩擦焊中常出现的长条夹杂物的形成趋势，这仅间接地限制了焊接期间施加的剪切应变的量。
为了证明感应辅助摩擦焊过程必然伴有明显的滑动，研究一下由Lingnau在专利申请PCT/US99/25600中给出的一个示例是有帮助的(见页10，行1-28)。在该示例中，描述的感应辅助摩擦焊参数中的壁厚为0.157英寸[4mm]，碳钢管直径为4.5英寸[114.3mm]，其中，较之传统摩擦焊的动能26,000ft-lb/inch2[54.64J/mm2]，给出的所需动能为1,978ft-lb/inch2[4.157J/mm2]。正如早前所述，Lingnau设想在工件接触之后有“几转”的相对位移，且接触是以“约每秒四英尺[1.22m/sec]的初始圆周速度”开始的(页8，行18-19)，即便相关的动能输入“大致等于传统摩擦焊中能量输入的10％”(根据权利要求1)。在这些条件之下，直径为114.3mm(4.5英寸)的管子整整转两转而对应于大约760mm(28英寸)的接触下的滑动距离。本发明人已对相似钢在热加工温度的动态剪切强度作了测量，其落在42-69Mpa(6,000-10,000psi)的范围内。关于仍预计有相当大量的滑动的这一点，会这样得到显示，即，用于施加刚好一转或380mm(14英寸)无滑动的相对表面运动的动能由如下关系式给出每单位表面积的机械功＝剪切强度×距离，或为本示例的29.4-49.0J/mm2(14,000-23,333ft-lb/inch2)。超过两转，所述动能就比实际施加的4.157J/mm2(1978ft-lb/inch2)大7到12倍。因此，在滑动摩擦条件下必定发生了大量的位移，而不是如本发明教导的那样基本上没有滑动。
对于该固态焊接方法而言，已发现25mm(1英寸)级的相对剪切位移施加足够大的剪切应变来结合碳钢管状部分，热层厚度具有示例中给出的0.050英寸[1.27mm]的相似深度。相关的引起该剪切位移量的机械功为1.05-1.75J/mm2(500-833ft-lb/inch2)，其是传统摩擦焊中的典型值54.64J/mm2(26,000ft-lb/inch2)的大约2％。就该示例而言，由此看出本工艺很好地落入如Lingnau的教导的“约等于传统摩擦焊中所定能量输入的10％”的动能极限之下。由此，按照不同于即使改进的摩擦焊的条件通常更好理解，其中，相关的热能和机械能的贡献被认为是相关的控制变量，且轴向应力应根据“顶锻力”考虑。(就这些过程而言，在上下文的关于摩擦焊的观点中动能的含义更普遍地被描述为转变成热量的机械功。该热源被理解成是通过感应加热引入的热能的补充，以提供充足的总能量输入，总能量输入被看作控制参数。)本工艺的控制由此省却了这些早期认识中的一部分，力图按照所施加的温度分布而不是能量输入来规定过程控制，所述控制与按时间而不是转速和顶锻力的剪切和轴向位移控制相联合。不过，本领域的技术人员能理解得到这样的说明并不排除组合的多变量控制策略。
在其一个实施例中，本发明的又一个目的在于提供同时焊接多个相对配合的不连续表面的装置。这样不连续的表面出现在必须连接同心双管或相似几何结构的应用场合中。就此类应用而言，不连续表面相似地匹配，以保证在表面于加热后一起靠拢时能大致同时地接触。
本发明的还一个目的在于提供一种焊接配合的、相对的、非平面轴对称表面的方法。根据本发明的启示，实现结合输入的剪切应变的方向可改变。因此，如果配合面是平面的，其平行且平坦，剪切应变就可通过几乎无限大的路径形状输入，包括轨道、摆动、线性平移或旋转。不过，在要连接的配合面轴对称时，工件会在表面相对布置时按需同轴对齐，以根据本发明的方法来焊接。因此，如果相对剪切位移是作为相对旋转输入的话，它们不必是平面的。例如，表面可被布置成具有大致相配合的截头圆锥体形或截超环面形(truncated toroidal shape)。在某些应用场合中，这些平面表面形状的变型能格外有效地控制温度分布、接触条件下的对齐、飞边形状或总焊接强度。此外，配合程度可改变，这样在工件一起靠拢时接触就不同时在整个界面区域上发生。
一般的摩擦焊装置被设计成这样焊接具有配合面的轴对称的第一和第二金属工件，即，使通常连接在大飞轮上的第一工件快旋，并用足以摩擦地阻止第一工件快旋顶锻力或轴向应力将不旋转的第二工件的配合面压靠在快旋的第一工件上，同时充分加热接触区域，从而实现焊接。为了连接类似的大致轴对称的工件，本发明的剪切辅助固态焊接方法在仍需旋转运动、轴向位移以及相关的扭矩和轴向载荷的同时，仅需要旋转提供50mm级的圆周位移。此外，传统的机器一般缺少最有利地实现本发明方法所必要的精确位移控制。
因此，本发明的另一个目的在于提供一种焊接装置，其尤其适用于执行具有大致轴对称的配合面的第一和第二工件的固态剪切辅助焊接，其中需要执行焊接的横向或剪切位移是通过旋转提供的。该焊接装置包括主体，其具有第一和第二端，在主体的第一端设有第一夹持装置，其适于以相对于主体固定的关系可松脱地夹持第一工件。在主体的第二端上连接有双轴液压致动器，它包括致动器主体，致动器主体具有第一端和第二端，还含有同心的双动空心孔中间活塞和内活塞，每个活塞都具有对应于致动器主体端部的第一端和第二端，分别称作顶锻活塞和旋转活塞，其中顶锻活塞充当旋转活塞的缸体，并设有适于夹持第二工件的第二夹持装置。第一和第二夹持装置可包括老虎钳或夹头或任何本领域众所周知的功能相当的装置。顶锻活塞的延伸或收回(在优选实施例中由液压装置实现)由此引起相对于致动器主体的轴向运动，同时旋转活塞的延伸或收回(仍优选由液压装置实现)引起相对于顶锻活塞的轴向运动，也即，旋转活塞由顶锻活塞承载。在优选的延伸和收回的液压控制下，顶锻活塞和旋转活塞由此串联(in series)地动作。
致动器主体的第一端刚性地连接在主体的第二端上，且被布置成使顶锻活塞上承载的第二夹持装置与固定在主体上的第一夹持装置相对地对齐，这样就提供了一种定向彼此相对的第一和第二工件的配合端面的手段。嵌套的致动器主体、顶锻活塞以及旋转活塞中的每个的第二端都分别连接在相似地嵌套且紧密配合的组件上，该组件包括具有多个轴向槽的外套筒(outersleeve)；中间凸轮轮廓套筒(intermediate cam profile sleeve)，优选具有沿周向分布的螺旋槽(helical slot)，以与设在外套筒内的轴向槽相匹配；以及内星形法兰，承载有外径向轴，其设有凸轮从动件，它们穿过每个螺旋槽和轴向槽并独立地与每个螺旋槽和轴向槽接合。通过把致动器主体、顶锻活塞和旋转活塞的轴向运动这样联系起来，提供了一个机构，由此旋转活塞的相对轴向运动引起顶锻活塞独立于顶锻活塞的轴向位置而相对于致动器主体旋转。例如，通过合适地配备伺服液压控制，该结构就提供了简单而坚固的装置来精确地相对于第一工件定位第二工件，并利于控制快速的轴向运动以使配合面在加热之后接触，随后进行轴向和剪切应变的精确位移控制。
通过将中间凸轮轮廓套筒的凸轮轮廓设作螺旋，并将外套筒设作轴向槽，支持了许多应用场合的需要。不过，显然，顶锻活塞的相联运动(linkedmotion)可进一步通过将这些凸轮轮廓设成其它形状而改变。例如，在反向或摆动运动有益的应用中，该运动可通过对旋转活塞方向进行液压控制而获得。不过，该旋转控制的机械支承也可通过给中间凸轮轮廓套筒设有正弦、锯齿或其它槽轮廓来实现。此外，该机械控制要施加到外套筒的槽轮廓上，由此直的轴向运动可改变，以利于控制例如表面接触时刚开始的旋转。这可容易地通过在外套筒中设置在其长度的至少一部分上螺旋定向的槽来实现。运动控制的这些和其它变型全都因所描述的焊接装置而变得容易。
现在参照附图对本发明的实施例进行描述，附图中的参考标号表示相同的部分，其中图1是根据本发明方法的第一实施例焊接的管状工件的局剖图；图2是根据方法的第二实施例焊接的管状工件的局剖图；图3是本发明装置一实施例的侧横剖图，其准备用来焊接如图1和2所示的管状工件；图4是图3中所示的完成了焊接时的装置的视图；图5是线性时标图，示出了根据如图1所示的本发明方法第一实施例形成焊缝时的关键工艺参数；图6是线性时标图，示出了根据如图2所示的本发明方法第二实施例形成焊缝时的关键工艺参数；图7是线性时标图，示出了根据本发明方法第三实施例形成焊缝时的关键工艺参数，提供了与图1中所示焊缝相似的焊缝，不过具有零净最终旋转(zero net final rotation)；图8是根据本发明的一替换实施例同时焊接的具有两个分立的环形区域的工件之间焊缝的横剖图；
图9是与图1相似的焊接接头的局剖图，不过具有不同于平面熔合线界面的嵌合；图10是根据本发明的一替换方法一般需要的感应加热线圈配置的示意横剖图，以利于形成图9中所示的焊缝；图11是采用一对设有铁磁屏蔽的线圈的替换感应加热线圈配置的示意横剖图；图12是具有四个线圈的替换感应加热线圈配置的示意图，出于示范性的目的，连同图8中所示的工件作了图示。
具体实施例方式
图1示出了通过本发明的优选方法形成的出现在焊管中的剪切辅助固态焊缝。在图1中，将第一金属管状工件1同轴地焊接在第二金属管状工件2上，以形成焊缝区3。焊缝区3被一熔合线(bond line)4一分为二，且一般由分别在第一和第二工件的焊接端7和8上的第一和第二热影响区5和6来限定。
根据本发明的优选方法，如上所述，用于活化焊缝区3中的结合(bond)的剪切是作为工件1与2之间的单向同轴相对旋转输入的。在此情况下，沿着工件1和2所划的轴向基准线在焊接之前就被扭曲且在焊接之后作为曲线9出现，该线示出了经焊接工艺施加的塑性剪切扭曲。显然，线最斜，则局部应变量最大。多半塑性剪切扭曲是在热加工温度下出现在材料中的，因而由尺寸z表示的组合热层厚度明显地作为界定熔合线4的间隔，在那里曲线9的斜度通常最斜。
在单向切变位移的条件下，施加的整个切变位移由距离x表示，一般越过热层厚度，于是平均塑性剪切应变量在此表征为x/z。显然，这一般对应于熔合线4处线9的斜度。为了连接普通碳钢，发现该剪应变必须约为10或更大；即，结合活化剪应变按此材料而言为10数量级的。
仍参见图1，贯穿焊缝区3的侧壁横剖图分别示出了典型的外飞边10和内飞边11，其是通过采用本方法仅利用单向压缩轴向应变控制得到焊缝而获得的。在这些控制条件下，如图所示，飞边的形状是圆形的(也即，具有小的纵横比)，熔合线延缓到飞边末端，从而最大程度地减小或消除了留凹口的倾向，这是摩擦焊所特有的。一般来说，不希望出现凹口，因为它形成了应力梯级和腐蚀开始点。同样，焊缝小的纵横比或圆形特征还减小了飞边的应力梯级影响，即便与利用由Lingnau教导的改进的感应辅助摩擦焊方法获得的相比。因此，在许多要不然会在摩擦焊时需要消除飞边的应用场合中，对于通过本发明的方法形成的焊缝来说，该步骤一般不需要，即便仅采用单向压缩轴向应变控制来实施。
现在参见图2，示出了根据本发明方法一可替换实施例制成的焊缝，其中，在结合活化阶段之后，施加有拉伸或延展轴向应变的控制。在此情况下，实际上消除了飞边，从而在即便是最小的飞边镦粗也是不利的应用场合中带来了更大的益处。
现在参见图3，通过设置夹具100容易制造这样的轴对称焊件，从而能对工件进行剪切辅助固态焊接，比如第一和第二管状工件1和2，其分别具有平滑的直角切割的、分别形成配合的轴对称表面12和13的端部7和8。第一和第二管状工件1和2分别夹在上夹头101和下夹头102中。上夹头101连接在反应法兰1(reaction flange)03上，反应法兰103自身连接在主体104的上端105上。反应法兰103优选被构造成包括载荷传感器，其能测量由该法兰传输的轴向和扭转载荷。主体104包括具有上端105和下端106的厚壁管，且分别设有适当定位的感应加热器线圈通道107和总通道口108。
主体104在其下端106连接在双轴液压传动分总成(dual-axis hydraulicactuator sub-assembly)200上，该分总成200包括(a)外气缸201，分别设有上端盖202和下端盖203，具有本领域中普遍公知的密封装置和衬套，它们与外气缸201一同包括致动器主体204；(b)中间顶锻活塞(forge piston)205，其同轴地位于致动器主体204的内部且与之密封地接合；(c)内旋转活塞206，其同轴地位于中间顶锻活塞205内，分别具有上密封隔板207和下密封隔板208，它们设有本领域众所周知的密封装置和衬套，位于与它们连接的内旋转活塞206和中间顶锻活塞205之间的环形区域内，从而形成两个嵌套的空心孔液压活塞，中间顶锻活塞205充当内旋转活塞206的缸体。
这些致动器的轴向运动优选这样来实现，即，提供装置来在伺服液压控制下将液压流体分别泵入用于中间顶锻活塞205的密封环形延伸和收回腔209和210以及用于泵出内旋转活塞206的密封环形延伸和收回腔211和212。
内旋转活塞206被设置成双动空心孔活塞，具有下端213，刚性地连接在凸轮从动支承法兰214上。中间顶锻活塞205在其下端215连接在转筒筛216上，而在其上端217连接在下夹头102上，从而支承第二工件2。转筒筛216通常为圆筒形，设有若干均匀隔开的螺旋状凸轮槽218，且被布置成与内轴向罩(axial cage)219和外凸轮从动支承法兰214紧密配合。轴向罩219通常为圆柱形，具有上端220，设有若干均匀隔开的轴向凸轮槽221，从而与螺旋状凸轮槽218相匹配。轴向罩219的上端220刚性地连接在下气缸端盖203上，由此担当致动器主体204的延伸部分。
径向轴222连接在凸轮从动支承法兰214上，且贯穿每对螺旋状凸轮槽218和轴向凸轮槽221。内凸轮从动件223和外凸轮从动件224安装在每个径向轴222上，且被布置成使内凸轮从动件223与螺旋状凸轮槽218在转筒筛216中接合，而外凸轮从动件224与轴向凸轮槽221在轴向罩219中接合。有了该布置方式，顶锻活塞205乃至第二工件2可分别根据旋转活塞206和顶锻活塞205的液压延伸或收回控制相对于主体104独立地旋转或轴向移动。下面将更为详细地描述这种独立的可控性。
旋转控制由于顶锻活塞205的延伸或收回分别被延伸和收回腔209和210的液流的液压控制所阻止，因而旋转活塞206的延伸或收回导致顶锻活塞205旋转，因为接合在轴向槽221中的外凸轮从动件224限制了径向轴222仅仅轴向移动。因为这些轴为接合在螺旋槽218中的内凸轮从动件223所共用，因而就只能通过转筒筛216乃至与它连接的顶锻活塞205的旋转来提供径向轴222的轴向移动。显然，旋转活塞206的轴向移动与顶锻活塞205的旋转之间的这一关系是受螺旋槽218的螺距角或螺旋角支配的，该角度是与其它设计变量结合来选定的，比如活塞面积、冲程、泵压和流动体积，以相对于要焊接的工件的尺寸提供足够的扭矩和旋转能力。特别是，旋转活塞206的冲程和螺旋槽218的长度是与螺距相结合来选择的，以提供足以施加在选定尺寸范围内焊接工件所必要的剪切位移的旋转。
轴向控制由于旋转活塞206延伸或收回被合适的液压控制所阻止，因而因而顶锻活塞205的延伸或收回直接导致第二工件2轴向移动，而旋转是通过外凸轮从动件224与轴向槽221的接合来防止的。通过按照本领域中众所周知的方式结合伺服液压反馈控制合适地装配压力和位移传感器，夹具100由此能容易地相对于第一工件1进行施加到第二工件2上的轴向位移、接触力、旋转和扭矩的过程控制。
在其优选实施例中，夹具100还设有一个感应加热线圈系统300，包括一个或多个感应线圈301，滑动地支承在装于主体104上的托架302中，且被布置成感应线圈可同轴地位于工件1和2的相配端面12和13之间以进行加热(如图3所示)，并且感应线圈通过合适的部件比如气动致动器对感应线圈301的端部连接件303起作用而在表面12和13接触之前收回(如图4所示)。再次参见图3，障板304和305以及盖子306被设置用来促进保护气体比如氮气的容纳，从而在加热和焊接期间提供非氧化性环境。还与一个或多个感应线圈301连接地设置有感应电源和电缆。
使用单个线圈的话，本领域的技术人员能理解得到感应加热线圈301的几何结构、其相对于工件1和2的端面12和13的位置以及线圈激励电流的频率、振幅和持续时间都可采用市场中能得到的感应加热电源来不同地控制，从而在工件端部实现理想的轴向温度分布。
不过，正如已经讨论的一样，使用单个感应线圈来同时加热如图3所示的两个表面，虽然在结构上具备一定的简单性，但实际上在均匀加热两表面上却明显存在困难。在加热过程中，单个感应线圈与两工件电磁耦合。由此倾向于优先加热最接近的表面。为了防止一个表面过热或另一个表面过冷，线圈必须因此正确地定位以平衡线圈与每个单独工件表面之间的相对间隙尺寸。在其优选实施例中，感应加热线圈系统300由此被设置为双线圈，其可以被构造成各种不同的样子，正如本领域的技术人员能明显看出的一样。
现在参见图11，示出了这样一种布置方式，两个线圈301a和301b由铁磁材料的防护罩310a和310b分开以增加磁场强度来加热配合面且减少线圈之间的电磁耦合。这种采用了铁磁屏蔽的布置方式使两线圈间隔得更近。或者，电磁耦合可通过增大线圈间距而减小，相应地需要较大的轴向行程来使配合面在加热之后接触。
夹具100的新构造，尤其是液压传动分总成200的双轴运动(即轴向和旋转)，较之通常用于实现相似或类似的焊接运动和作用力的公知摩擦焊设备，容易根据需要施加焊接期间热加工金属工件所必要的轴向和剪应变以及相关的载荷，以采用特别有利的方式实施本发明的方法。与此类其它设备构造相比，夹具100在通常设有该液压致动器的密封装置和衬套之上不需要通常需在高的顶锻力下适应旋转的重轴承。因此它只需要最小程度的机械复杂性来施加旋转，且容易提供精确位移控制所需的高刚性。
致动器空心通孔致动器(hollow，through-bore actuator)有利于比如管道或打井需要的长管的焊接。该结构的简单性在许多可实施本发明焊接方法的应用比如管道或套管装配提供了多种其它有价值的优点，比如组装紧凑、投资成本不大、可靠性更高以及相对于夹具体的运动仅限于一个工件。
应该理解的是，在此相对于夹具100的附图的上和下的含义并不意味着指根据重力方向；因此夹具100的轴可按照一般在管道上焊接优选的那样水平定向。
在操作中，夹具100容易进行本发明优选实施例的焊接，参见图3，第一工件1的表面12相对于线圈301位于上固定夹头101中，正如在加热前或加热中所呈现的那样，于是就能获得一个受控间隙，其足够大以保证电绝缘，但足够靠近以在线圈与第一工件1之间实现令人满意的感应场耦合来加热其表面12。同样，调节下活动夹头102中的第二工件2的位置和顶锻活塞205的位置以在工件2的端面13与线圈301之间获得一个相似的间隙，还将顶锻活塞205的位置布置成具有足够大的冲程来使工件1和2的端面12和13接触，其中线圈301是收回的。旋转活塞206在焊接之前一般位于充分收回的位置。
在定位了工件之后，在所述线圈延伸的情况下，将保护气体导入封闭空间，足以充分地清除环境中与工件端面12和13接触的氧气，直到所述工件端面接触为止。一旦环境由此净化，工件的加热便开始并持续，直到接触表面处于热加工温度范围内的最小结合温度上，且每个工件上位于表面下的材料层也由此处于热加工温度范围中，从而在每个工件的端部形成一热层。线圈随后收回，工件在位移控制之下于相当短的时间段内相接触，以防止工件表面在热加工温度之下冷却。旋转优选地刚好在表面接触之前开始，并与轴向位移协同配合以继续受控地施加轴向干涉，从而防止相当大程度的滑移，而旋转同时施加至少与结合活化剪应变相当的剪应变，由此完成焊缝。图4示出了完成焊缝之后的夹具100中的焊好的工件1和2。
现在参见图5，图中按时间说明性地绘制了加热完成后的关键工艺参数，所述关键工艺参数与上述根据本发明方法的优选实施例焊接碳钢期间的夹具100的操作所述的步骤顺序相对应。在该图中，位移参照接触的位置，时间是在加热刚完成时开始示出的。所示的关于应力、位移和时间的大小比例不过是说明了焊接外径为178毫米且厚度为8毫米的碳钢管所得到的代表值，不应被认为是限制性的。
曲线C1示出了基于顶锻活塞位移的工件的相对轴向位置；即，负值对应于第一和第二工件配合面之间的间隙，而正值对应于通过控制顶锻活塞所施加的干涉或镦锻。曲线C2示出了从旋转活塞的轴向位移得到的圆周或剪切位移。曲线C3示出了从对扭矩的测量中得到的剪切应力，曲线C4示出了从对顶锻活塞载荷的测量中得到的轴向或顶锻应力。由于分布有塑性应变的热层厚度对于轴向和剪切位移而言都相同，则示出的相对位移量对于应变而言相同。
时间T0对应于加热的终点和线圈收回的始点。在时间T1处，线圈的收回完成，顶锻活塞的运动开始。时间T2对应于旋转运动的始点，接触在T3进行(尽管应该注意到，T2和T3在替换实施例中可一致，或者T3实际上可在T2之前)。接触之后，剪切应力和轴向应力都一直增加到时间T4，此后，轴向应力可减小，甚至可拉伸，在该示例中，其出现在焊缝大部分完成时的时间T5。结合活化阶段由此出现在时间间隔T3-T5。
根据本发明的教导，该图示出了当开始接触时，轴向压缩应力与剪切应力相依随地增加，于是剪切应力与轴向应力所成的比就大于表面在其热加工温度时的表观摩擦系数，从而防止了滑移。不过，当剪切位移量增加且结合随之增加时，该比就可增加，于是轴向应力就可达到最高点，随后减小，实际上还可拉伸。轴向应变乃至应力的这种控制与现有技术中关于摩擦焊的教导恰恰相反，在所述教导中，压缩“顶锻力”被认为在整个焊接循环中是必要的，并且确实是优先增加且保持到旋转停止。同样，实现结合所需要的很短时间(在该示例中小于3秒)明显要少于现有技术中所公知的扩散结合所期望的时间。
相对于剪切位移的速度，不仅相应地将一接触时引入干涉的速度用于最大程度地减少滑移，而且同时用于施加充分的垂直于接触表面的塑性变形。这有利于补偿一些配合面12与13间的不匹配量。这一点可有利地予以利用，这样需要的匹配度就不大；例如，一般的车床加工表面处理能形成高质量的焊缝。
仍参见图5，曲线C1所示的最终顶锻活塞位移反映了本发明优选实施例的剩余轴向压缩应变乃至飞边体积。该优选实施例由此分别通过外内飞边10和11中的材料体积而在如图1所示的焊缝区中提供适量的加强。就所给出的示例而言，飞边的最大厚度大约为管壁厚度的25％。这是利用约为壁厚10％的镦粗部长度(upset length)获得的。此种加强作为这样一种手段在许多应用场合中是有利的，即，减小在热影响区的应力，由此提高焊接连接的强度以便易于超过管母材的强度。配合的管端部附近的几何控制，比如通过给管端部预加工内和/或外倒角，也可相对于管壁厚用来减小最终焊缝镦粗部尺寸，但这样的倒角斜切会增添额外的成本。
对于希望飞边更小而无需进行这种额外的预加工的应用场合来说，在一可替换实施例中，本发明的方法用来提供特征在于飞边极小的焊缝。现在参见图6，在该可替换实施例中，曲线C1所示的顶锻活塞运动受到控制以在时间T5之后开始减少，使得最终镦粗部(final upset)接近零。与图5中所示的过程控制相比，这导致拉伸轴向应力稍微大一点，但因为剪应变速度(由曲线C2的斜度表示)同时要比轴向应变速度(由曲线C1的斜度表示)大得多，这种趋势就达到最小，相应地，增大会在没有剪应变时发生轴向应变而出现的空隙的大小的趋势也是一样的情况。该可替换实施例由此提供了一个如图2示出的飞边体积所示的可忽略飞边。
在本发明的另一个实施例中，图3中所示的夹具100可容易地用来提供双向剪应变过程控制，如图7所示。在该可替换实施例中，剪应变乃至应力的方向在制作焊缝的时间T4.5反向，在那里，例如初始和最终的旋转位置是相同的，如图7的曲线C2所示。该特征有利于比如管道接头的应用场合，在那里，两个工件中没有一个能够自由旋转，且希望在所限制的管道间隔内没有残余扭矩而完成焊缝。显然，这说明了通过该装置容易进行多种载荷路径变化，从而利用经由本发明的焊接方法取得的、潜在地起因于在剪切方向上的矛盾意向的益处。在一些应用场合中，有利的是，通过让转筒筛216中的凸轮槽形成非螺旋状的轮廓比如一般为圆形的锯齿轮廓而简化这些旋转载荷路径，从而促进摆动旋转而无需旋转活塞206轴向反向。
在又一个实施例中，本发明的方法可用来同时连接两个或多个分立的配合面(discrete mating surfaces)。图8示出了这样一种几何结构，即，焊缝形成在具有同心配合的凸起的环形内区和外区401和402的第一和第二轴对称工件1和2之间。该几何结构需要协调地加热内环和外环，从而保证两区域在结合之前处于热加工温度范围。在利用单个同轴地位于也是同轴排列的配合端之间的线圈进行感应加热来控制温度时，线圈必须提供内外环，此时，所述环的几何结构被调节用来平衡表面之间的热输入，由此确保符合温度限制。
虽然该布置方式能提供令人满意的结果，但优选采用两个(或者，更优选为四个)独立线圈来执行加热。在这样的线圈布置方式中，工件无需在加热期间轴向对齐。可采用一般如图12所示的布置方式，其采用了四个独立的线圈和电路410a、410b、410c和410d。加热之后，在采用本发明的剪切辅助固态焊接方法进行焊接之前，工件沿着箭头所示的方向移动至同轴对齐。在这样的布置方式中，线圈可设置在固定的位置，或它们可移动，便于或适于与特定的应用相配。
在图8所示的示例中，分立的配合面位于相同的平面中。不过，对于本领域的技术人员来说，容易明显地看出本发明的方法还适于焊接具有多个位于不同平面的分立配合面的工件，只要这些平面基本平行。
在其它实施例中，本发明的方法有利于连接非平面的轴对称的配合面。图9示出了这样一个几何结构的管焊缝，其中，配合面具有锯齿轮廓，且因此，熔合线4在焊缝横剖面上呈锯齿状。为了通过采用感应加热在该几何结构上实施焊接，线圈几何结构通常需要被布置成遵从或匹配表面轮廓的外形，由此控制线圈与工件表面之间的间隙尺寸乃至局部热量输入的速度。不过，在锯齿轮廓与所需的间隙厚度相比不大时，这样的线圈造型就可能不必要了。例如，图10示出了加热期间相对于工件1和2的图9几何结构的感应加热线圈301。显然，通常如果必须将感应加热器成形为使得能获得足够均匀的加热，则通过在单个平面上平移来移去可能不可行，因为线圈会干涉工件端部。在此情况下，各种替换都是可利用的，包括线圈在收回之前协同一个或两个工件移动的轴向移动、开环线圈的使用以及本领域中公知的其它方式。
图9的焊缝几何结构在这样的应用场合中是有利的，即，希望相对轴向应力方向来旋转熔合线的定向，以获得强度并提高裂纹的终止特性，否则裂纹可能扩展而穿过平面焊缝的全部厚度。
本发明方法的特别有利之处在于，待结合的表面的制备无需满足严格的要求。已发现，尽管存在氧化物，其会在通常干的空气中在室温形成于新加工的碳钢表面上，也能实现令人满意的焊缝。不过，还观察到需要引入以实现结合的剪应变的量会随着配合面上的氧化物或其它杂质(例如油或脏物)的量而增加。因此，本发明的优选实施例包括一个清洁待结合表面的步骤，作为一种控制并使剪应变的量最小的附加手段，以便获得理想的焊接结构。
清洁步骤可以采用本领域众所周知的多种方法中的任何一种。例如，氧化物可利用机械研磨手段予以消除，优选利用保护气体比如氮气。或者，可通过化学手段来实现氧化物的消除，例如在高温时配合面暴露给还原性气体。
本领域的技术人员就容易看出，可作出本发明的各种变型，而没有脱离本发明的基本原理，且所有这样的变型都应包括在本发明的权利要求书的范围内。
在本专利文献中，词“包括”按其非限定的意义使用，意指包括遵从该词的项，但未专门提到的项也不排除在外。元件涉及的不定冠词“a”并不排除存在超过一个的元件，除非上下文清楚地要求有且仅有一个该元件。
权利要求
1.一种连接金属件的剪切辅助固态焊接方法，所述方法包括如下步骤(a)提供第一和第二金属工件，每个工件具有适于与另一工件的接触表面基本相配地接合的接触表面；(b)加热所述工件，从而升高邻接每个接触表面的金属的热层中的温度以处在所述工件基体金属的热加工温度范围内；(c)使所述接触表面基本上配合接触，同时仍处在所述热加工温度范围内；(d)在所述接触表面上施加轴向压缩载荷，所述压缩载荷足以基本上防止与足以在所述热层中引起塑性流动的横向剪应变的施加响应的滑动；和(e)在所述工件之间施加横向剪切位移，所述剪切位移足以在所述热层中引起塑性剪应变以逐渐使所述工件在界面区域中结合。
2.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述剪切位移的定向模式从由轨道、摆动、旋转和反向构成的组中选择。
3.如权利要求1所述的焊接方法，其中，还包括如下步骤在初期结合之后垂直于所述界面区域施加附加应变，同时使至少一部分所述热层保留在所述热加工范围内，从而调节飞边体积。
4.如权利要求3所述的焊接方法，其中，所述附加垂直应变是拉伸应变。
5.如权利要求4所述的焊接方法，还包括的如下步骤结合所述附加拉伸应变而引入附加剪切位移。
6.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述加热工件的步骤是利用感应加热实现的。
7.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述加热工件的步骤是在所述使所述接触表面接触的步骤之后进行的。
8.如权利要求1所述的焊接方法，其中，还包括如下步骤在所述加热所述工件的步骤之前清洁所述接触表面。
9.如权利要求1所述的焊接方法，其中，还包括如下步骤在所述加热所述工件的步骤当中清洁所述接触表面。
10.如权利要求1所述的焊接方法，其中，还包括如下步骤在所述接触表面的附近引入保护气体，以形成加热并结合工件的基本上非钝化的环境。
11.如权利要求10所述的焊接方法，其中，所述保护气体包括氮气。
12.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述接触表面基本上为平面。
13.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述接触表面相互嵌合。
14.如权利要求13所述的焊接方法，其中，所述相互嵌合的接触表面包括配合的锯齿部分。
15.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述加热所述工件的步骤是在所述工件轴向对齐的情况下执行的。
16.如权利要求1所述的焊接方法，其中，所述加热所述工件的步骤是在所述工件没有轴向对齐的情况下执行的，还包括如下步骤在加热之后且在使所述接触表面相接触的步骤之前，使所述工件移动至轴向对齐。
17.如权利要求1所述的焊接方法，其中，每个工件都具有多个与其它工件的分立的接触表面相对应的分立的接触表面。
18.如权利要求17所述的焊接方法，其中，所述分立的接触表面位于大致相同的平面中。
19.如权利要求17所述的焊接方法，其中，所述分立的接触表面的平面平行但相互错开。
20.一种用于对两金属工件进行剪切辅助固态焊接的装置，每个工件都具有适于基本上相配地与另一工件的接触表面接合的接触表面，所述装置包括(a)具有第一端和第二端的主体；(b)与所述主体的第一端相关的第一夹持装置，所述第一夹持装置适于以相对于主体固定的关系而可松脱地保持第一工件；(c)位于所述主体的第二端的双轴液压致动器；其中(d)所述液压致动器包括具有第一端和第二端的致动器主体；(e)所述致动器主体具有双动的、空心孔的中间顶锻活塞和双动的、空心孔的内旋转活塞；(f)所述中间顶锻活塞和所述内旋转活塞同心地设置在所述致动器主体内，所述中间顶锻活塞充当所述内旋转活塞的缸体；(g)中间顶锻活塞和内旋转活塞各具有对应于所述致动器主体端部的第一端和第二端；(h)第二夹持装置被设置成与所述中间顶锻活塞的第一端相关，所述第二夹持装置适于可松脱地夹持第二工件；(i)所述致动器主体的第一端刚性地连接在所述主体的第二端上，且被布置成使所述第二夹持装置与所述第一夹持装置相对地对齐，这样就提供了使所述工件的接触表面定位而相配地接合的装置；和(j)所述嵌套的致动器主体、所述中间顶锻活塞以及所述内旋转活塞中的每一个的第二端都分别连接在相似地嵌套且紧密配合的组件上，该组件包括j.1具有多个大致轴向的槽的外套筒；j.2中间凸轮轮廓套筒，其具有沿周向分布的螺旋槽，以与设在所述外套筒内的所述大致轴向的槽相匹配；和j.3内星形法兰，其承载有外径向轴，所述外径向轴被提供有凸轮从动件，所述凸轮从动件穿过各个所述螺旋槽和所述大致轴向的槽并独立地与各个所述螺旋槽和所述大致轴向的槽接合，从而将所述致动器主体、所述中间顶锻活塞和所述内旋转活塞的轴向运动与所述内旋转活塞的相对轴向运动联系起来，使得所述中间顶锻活塞基本上独立于所述中间顶锻活塞的轴向位置而相对于所述致动器主体旋转。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述凸轮轮廓套筒中所述螺旋槽和所述外套筒中轴向槽的方向和节距被构造成使所述螺旋槽和所述轴向槽具有一般为正弦的轮廓，由此，所述致动器主体、所述中间顶锻活塞以及所述内旋转活塞的相联运动结合所述内旋转活塞和所述中间顶锻活塞的相对轴向运动，从而与所述中间顶锻活塞的轴向运动相配合地、机械地控制所述中间顶锻活塞的旋转、幅度和方向。
全文摘要
一种连接金属件(1、2)的剪切辅助固态焊接方法，包括的第一步骤为在非钝化的环境中将金属件(1、2)相对的表面(7、8)加热到金属热加工温度范围内的温度。第二步骤涉及使相对的表面(7、8)接触，同时仍处于热加工温度范围内，并施加足以充分防止随剪切位移而进行的滑动的压缩应力，使得热层中出现塑性流动。第三步骤涉及施加金属工件(1、2)的相对剪切位移而不脱开相对的表面(7、8)。剪切位移在热层中引起塑性剪应变以逐渐引起结合。
文档编号B23K20/02GK1816412SQ200480019335
公开日2006年8月9日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年6月10日
发明者莫里斯·W·斯莱克, 丹尼尔·M·舒特 申请人:诺伊蒂克工程股份有限公司