专利名称：用于摩擦搅拌焊接不同材料的方法
技术领域：
本发明涉及材料部段的摩,拌焊接。更具体而言，本发明涉及利用局部 选择性地加热工序从而使材料部段的温度升高达到接近其各自的软化点的纟US 水平并结合标准的摩擦搅拌焊接实践对不同材料部段进行的摩擦搅拌焊接，以 便能够连接具有不同熔点的材料。
背景技术：
摩擦搅拌焊接是一种己公知的工艺方法，其中借助由旋转摩擦工具引入的 热量使要连接在一起的邻接部件沿着它们的接触表面增塑。当摩擦工具横向穿 过将要连接在一起的工件之间的接缝时进行旋转。工具的旋转产生热量，在紧 邻工件之间界面的部分处，所述热量使工件温度升高达至其塑性形变温度。随 着工具沿着接缝进行移动，所述工具混合两个工件的增塑材料以产生限定出焊 缝的固态结合。 一般地，摩擦工具被成形具有大直径台肩，所述台肩形成在压 力被施加到台肩上以保持与相邻工件形成可靠接触的同时被插入连接区域中的 小直径探针的基座。
过去，摩擦搅拌焊接工艺方法己经成功地被应用在具有基本上相同的熔点 的相对较低熔点的材料对的连接上。还已经发现在实施搅拌焊接前，通过将 材料部段预热达到接近其软化点的共同、鹏，更高熔点的材料可以通过摩鹏 拌焊接而被连接在一起。这种预热可提高混合工具的处理速度和使用寿命，由 此有利于对这些材料应用搅拌焊接。但是，所述两种材料的熔点必须相互接近 以避免其中一个部段发生所不希望的熔化。
虽然摩擦搅拌焊接己经在具有基本相同塑化温度的材料的连接领域得到了 成功地应用，但是摩擦搅拌焊接却难以使塑化温度差异相当大的材料连接在一起。产生该困难的原因在于当通过摩擦和/或预热充分升温，使具有更高熔点的材料升温达到其塑化温度时，相邻的更低熔点的材料同时被加热达到超出其 塑化温度范围并旦开始变成液体。当在摩，拌焊接工艺过程中焊接界面处的 工件材料 液体时，不能形成正常的接缝。
发明内容
本发明通过提供一种使具有不同熔化特性的材料可以通过摩擦搅拌焊接而 被联接在一起的工艺方法从而提供相对于现有技术而言的优势和/或其它可选方 式。本发明可适用于联接片状、管状部段，或其它所需的几何形状。本发明的 实践适于方便材料的连接，所述材料可以具有很大差别的塑化'温度、以及具有 适当差别的和/或相似的塑化温度。
依据本发明的一个方面，提供一种工艺方法，其中通过局部加热实践使两 个相邻的材料部段在紧邻其相交部位的外侧的位置处受到加热，这使得每个部 段的温度沿着相交部位升高达到不连续的预定水平，该预定水平对应于受到加 热的特定材料部段的塑化温度。结合该不连续的局部加热，沿着相交部位进行 传统的摩擦搅拌焊接，以形成固态结合。这样，每个部段沿着界西l—的温度被升 高达到所需的预定温度水平，而不会出现所不希望的任何材料的液体化。
依据本发明的另一方面，提供一种对塑化温度差别较大的材料进行摩 拌焊接的工艺方法，其中仅在与将要进行连接的部段之间的界面相距一段距离 的位置处对更高熔点的材料进行局部不连续加热，从而使更高熔点材料的温度 沿着界面升高达到所需的塑化温度。对在界面一侧上面的高熔点材料的局部加 热也用于加热界面另一侧上面的更低熔点的材l斗。由于穿过界面自然产生温度 梯度，因此较低熔点材料的、鹏被升高达到比更高熔点材料的、鹏更低的 鹏。 因此，通过利用穿过界面的温度梯度，可使用单个热源使两种材料升高达到不 同的温度，而不使任何一种材料发生液化。沿着相交部位进行传统的摩擦搅拌 焊接以形成固态结合。
被包括在内且构成本说明书一部分的以下附图示出了根据本发明所述的示 范性实施例和实践方式，并且结合上文的一般性描述和下文的详细描述，用于 解释说明本发明的原理，其中
图1示出了一种用于连接两个具有不同熔点的片状材料的摩M拌焊接技术；
图2示出了一种用于对两种不同熔点的管状材料进行摩 拌焊接的工艺 方法；和
图3示出了通过利用单一热源的摩M拌焊接从而将两种熔点差别相当大
的材料连接在一起的工艺方法。
虽然示范性实施例和工序在此进行了图示说明且将在下文中进行详细描 述，但是应该理解和意识到本发明绝不限于在此说明和描述的这些示范性实 施例和工序。相反，在本发明的真实精祌和范围内，本发明将延伸到包含本发 明主要原理的其它可选方式和'变型。
具体实施例方式
下面结合多个附图详细描述依据本发明的潜在优选的实践方式和系统，其 中尽可能地，在附图中使用相近似的附图标号表示相近似的元〗牛。下面参考附 图，在图1中示出了一种用于对具有不同熔点的两块板进行摩 拌焊接附接
的系统。在该示范性的实践方式中，诸如可从瑞典Laxa的Esab Welding Eqmpment AB获得的摩擦搅拌悍接设备10被布置成横穿由第一材料板14和第 二材料板16的ii^处的相邻接关系而形成的界面线12。可以理解的是所 i^觉拌焊接设备优选利用以本领域技术人员公知的方式在板之间突出的小直径 混合探针(图中未示出)。
所示出的第一材料板14和第二材料板16由不同材料形成，所述材料可具 有不同的软化和熔化、M特征。然而，如下文中进一步说明地，所示出的实践 方式同样可预期用于将相似材料的板连接在一起。
如图中所示，在图l所示的实践方式中，例如M使用一对激光器20、 22 ^领域技术人员公知的其它适当的局部加热实践方式，第一材料板14和第二 材料板16分别在邻近界面线12且在界面线12的外侧的位置处受到局部不连续 地加热。在实践中，激光20、 22 ,被独立控制，从而向单独材料板14、 16 输送预定水平的热能。所输送的热會泳平优选被设定，以便使第一材料板14和 第3採贩16的温度增加达到接近相应板的塑化温度的水平。
在优选的实践方式中，刚好在摩 拌焊接设备10前面进行加热，从而使 得在摩 拌焊接设备10到达被加热区域时，如果存在任何由摩擦产生的热量, 所述设备10可以采用很少的热量，主要用于沿界面线12混合来自两种材料的 塑化材料。因此，经过改进的摩 拌焊接工艺方法可被执行，其中邻接元件 被升高达到其各自的塑化温度且接下M过摩擦工具混合两元件，而不是像过 去那样将两个元件升高到同一均匀温度。通过升高每块材料板14、 16的^^, 有可能在不出现所不希望的邻接表面中任意一个被液化的情况下，将所述板连
接到一起。重要的是，由于温度梯度穿过界面，本发明的实践方式允许在界面
线12 —侧的更高熔点材料部段被升温达到所需的塑化温度水平，所述温度可能 超过界面线另一侧的更低熔点材料的熔点，而不会使更低熔点材料产生液化。 因此，即使有显著熔点差异的材料也可以被连接在一起。
可以理解虽然激光器20、 22的使用对于以精密地控制的方式施加热能而 言是便利且所需的技术，但是如果有需要，也可利用其它加热机构。例如，可 以预期当该设备10横穿界面线12时，诸如感应线圈或类似物的加热元件可先 于摩擦搅拌焊接设备10进行移动。
当然，因该理解本发明绝不限于平板结构的连接。本发明也可以用于连 接任何适于摩擦搅拌焊接的具有几乎所有几何形状的部段。仅通过实例而不是 限制性地，在图2中示出了图1中所示的用于将两个圆柱形或管状材料部段114、
116连接在一起的工艺方法的一种变型。正如被理解到地所述工艺方法与图l
中所示出的方式相同，其中摩,拌焊接设备110横向穿过由材料部段114、 116 之间的邻接部而限定出的界面线U2。激光器120、 122或其它局部加热元件用 于加热且软化邻近界线112位置处的材料部段，而不超过任何材料的熔点。因 此，摩擦搅拌焊接设备110可以主要用于混合具有不同塑化温度的材料，而不 会出砂W万不想要的液化。
如前面指出的，虽然在图1和2中(其中，热量被直接施加至lj界面线的两 侧上)示出和描述的系统和方法工序可能特别有利于将具有不同熔点的材料连 接在一起，但是可以预期的是即使当形成联接部段的材料相同时该实践方式也 可具有优势。在这种情形下，输送到界面线两侧的热量基本相同，从而在通过 摩擦搅拌焊接设备10进行混合以前将温度升高达到所需水平。
在将熔点差别很大的材料连接在一起时，可以想到的是在更高熔点材料 邻近界面线的位置处施加热量的单个加热元件可以有效地将两个材料部段升高 到所需的温变范围以利于进行摩擦搅拌焊接。单个热源系统在图3中示出，其 中使用200系列的对应附图标号标示那些与上文描述元件相对应的元件。
在图3所示的系统中，摩擦搅拌焊接设备210横穿第一材料板214与第二 材料板216之间的界面线212，其中所述第一材料板具有高熔点特征，所述第二 材料板具有低得多的熔点特征。仅通过实例而非限制性地，可以预期第一材料 板214可以是钢或高含铁合金材料，而第二材料板216可以是不含铁的材料，如铜、铝、镁等。
在图示的实践方式中，诸如激光器220的加热单元在一个区域屮施加热能， 该区域位于将要连接在一起的材料部段之间的界面线212的稍外侧的摩擦搅拌 焊接设备210之前的位置处。所施加的热量水平足以使第一材料板214在界面 线212处的温度升高达到其塑性状态。界面线212的存在使得激光器220加热 的区域的热传导中断，作用类似于电路中的电阻器。这就导致在两个材料部段 之间形成明显的，梯度。然而，由于第一材料板214具有高塑化温度，虽然 如此，第二材料板216仍然升高达到接近其软化点的温度，因此有利于利用摩 M拌焊接设备210进行最终混合，而不会出现由摩擦带来的熔化。因此，尽 管熔点的差别巨大，但是沿界面线212的温度梯度可以用于使高效的摩擦搅拌 焊接成为可能。
应该理解虽然已经结合潜在优选的实施例、构造和工序对本发明进行了 图示和描述，但是这些实施例、构造和工序仅是示例性的，本发明不受其限制。 而a，可以预期体现本发明原理的改进方式和变型对本领域技术人员而言是显 而易见的。因此可以预期和理解本发明的保护范围包括在本发明的真实精神 和范围内的、例如可延伸至体发明的各个方面的所有的改进方式和翅。
权利要求
1.一种通过沿界面进行摩擦搅拌焊接从而连接第一材料和第二材料的方法，其中所述第一材料具有比所述第二材料更高的熔点，所述方法包括下列步骤由外部热源在限定位置处对至少第一材料进行局部加热，以沿界面形成受热区域，其中所述受热区域内的一部分第一材料被升高达到第一温度，且第二材料的相对部分被升高达到第二温度，所述第二温度小于所述第一温度；以及在受热区域处于被升高了的温度的状态下，将旋转摩擦搅拌焊接设备输送至所述受热区域，以便沿所述界面混合第一材料和第二材料。
2、 如权利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括板部段且所述第二材料包括板部段。
3、 如权利要求i所述的方法，其中所述第一材料包括管状部段a所述第二材料包括管状部段。
4、 如权利要求1所述的方法，其中所述局部加热是ilil至少一个激光器进 行的。
5、 如权利要求1所述的方法，其中所述局部加热仅被施加到第一材料上。
6、 如权利要求5所述的方法，其中所述第一温度高于所述第二材料的熔点。
7、 如权利要求6所述的方法，其中所述第一材料是含铁的金属合金成分且所述第二材料是不含铁的金属合金成分。
8、 如权利要求1所述的方法，其中所述局部加热既被施加到第一材料上又 被施加到第二材料上。
9、 如权利要求8所述的方法，其中所述第一，高于所述第二材料的熔点。
10、 如权利要求9所述的方法，其中所述第一材料是含铁的金属合金成分 且所述第二材料是不含铁的金属合金成分。
11 、 一种通过沿界面进行摩擦搅拌焊接从而连接第- -材料和第二材料的方 法，其中所述第一材料具有比所述第二材料更高的熔点，所述方法包括下列步 骤由外部热源在邻近界面的限定位置处对第一材料和第二材料进行局部加 热，以沿界面形成受热区域，其中所述受热区域内的一部分第一材料被升高达到第一 温度，所述第一温度低于第一材料的熔点，且第二材料的相对部分被升高达至第二温度，所述第二温度小于所述第一温度且也低于第二材料的熔点； 以及在受热区域处于被升高了的温度的状态下，将旋转摩擦搅拌焊接设备输送至所述受热区域，以便沿所述界面混合第一材料和第二材料。
12、 如权利要求ll所述的方法，其中所述第一材料包括板部段R所述第二 材料包括板部段。
13、 如权利要求ll所述的方法，其中所述第一材料包括管状部段且所述第二材料包括管状部段。
14、 如权利要求ll所述的方法，其中所述第一皿高于所述第二材料的熔点。
15、 如权利要求l所述的方法，其中ilil激光加热进行所述局部加热。
16 、 一种通过沿界面迸行摩M拌焊接从而将材料的第一部段连接到材料 的第二部段上的方法，所述方法包括下列步骤在第一部段和第二部段上界面任一侧的不连续的限定位置处利用激光冲击 对第一部段和第二部段进行局部加热，以沿界面形成受热区域；以及在受热区域处于被升高了的温度的状态下，将旋转摩擦搅拌焊接设备输送 至所述受热区域，以便沿所述界面混合第一材料和第二材料。
全文摘要
一种通过进行摩擦搅拌焊接从而联接材料的方法。两个相邻的材料部段受到局部加热，以便沿相交处使每个部段的温度升高达到一个不连续的预定温度水平，该温度水平低于受到加热的材料的特定部段的熔点。结合该不连续的局部加热，沿相交处进行摩擦搅拌焊接以形成固态结合。
文档编号B23K20/12GK101203352SQ200680011864
公开日2008年6月18日 申请日期2006年3月17日 优先权日2005年4月14日
发明者J·奎因, R·B·罗科莱宁 申请人:通用汽车环球科技运作公司