专利名称：不同金属的摩擦搅拌焊接的制作方法
技术领域：
本发明涉及摩擦搅拌焊接在结合不同的金属构件(例如镁合金面板和铝合金增
强件)中的使用。更具体地，本发明涉及在不同的金属成分构件的面对面的表面之间的中 间层材料(例如，金属粉末或金属涂层成分)的设置，用于并入由摩擦搅拌焊接工具产生的 接头材料中以增加焊接接头的强度。
背景技术：
存在这样的制造应用，其中可能有用的是焊接不同的金属成分的构件以制作例如 相对轻质的物品。例如，在制造机动车辆车身部件时，可能期望将铝合金增强支柱与镁合金 面板结合。通常，这种不同的金属构件难以通过例如熔焊工艺的常规结合技术来结合，因为 它们形成大块的易碎金属间成分，从而削弱接头。设想这种不同的金属部件可使用摩擦搅 拌焊接方法来结合。 在摩擦搅拌焊接中，带有轴向探头和肩部的旋转工具被压入金属工件的组件表面 中。旋转探头和肩部在焊接部位处接合工件。探头和肩部上的摩擦热和持续压力暂时软 化、塑化并混合工件接合部分中的材料。当旋转工具大致垂直地压到工件上的点且然后撤 回时，形成摩擦搅拌点焊件。摩擦搅拌工具可撤回并移动且连续地沿一个或多个工件的表 面接合以形成一系列摩擦搅拌点焊件。当旋转工具被压入工件表面且在表面中移动时，可 形成摩擦搅拌线性焊接件或者滚焊焊缝。类似地，摩擦搅拌工具可沿着两个工件的邻接边 缘的界面移动，以形成摩擦搅拌对接焊接件。总的来说，这些各种焊接模式称为摩擦搅拌焊 接(FSW)。 在要结合的金属件的成分产生适当的焊接区域时，可以获得良好的接头强度。当 一些不同的金属用FSW结合时，在焊接区域中所形成的易碎低熔点金属间材料可能产生弱 的或易碎的焊接结合。例如，当期望将镁合金构件与铝合金部件结合时，这可能发生。
本发明的目的是提供一种在不同金属成分的工件之间(例如，在镁合金工件和铝 合金工件之间)的强摩擦搅拌焊接结合的方法。
发明内容
本发明的实践在不同的金属工件要被结合且工件的各个成分不能通过常规摩擦 搅拌焊接技术获得良好的结合强度的摩擦搅拌焊接情况下是有用的。例如，摩擦搅拌塑化 的铝合金和镁合金可形成低熔点成分，从而削弱预期的焊接件。在将铝摩擦搅拌焊接到镁 期间，焊接部位的温度可能足够高以产生低熔点Al-Mg共晶液体。该液体不仅限制搅拌区 域的尺寸，而且往往在工具从焊接部位撤回时粘附到摩擦搅拌焊接工具上。这种液体材料 的形成在铝和镁工件之间产生弱的结合。当包括两种不同金属构件的成分的界面的摩擦搅 拌塑化不能产生良好的摩擦搅拌结合时，通过在要结合的工件的界面处增加一种或多种中 间层材料(包括例如，金属粉末和/或非金属粉末(或其涂层))来改变摩擦搅拌区域的成 分可能是有益的。
在铝构件要结合到镁构件上的本发明的实施例中，预期焊接部位可设置有以下材 料的涂层或混合物(a)铜和锡粉末；或(b)铜、锡和锌粉末；或(C)锌粉末；或(d)其它适 当的金属和非金属粉末成分以及混合物，例如，铝、镁、硅、锶、铈(或其它镧系元素)、银、 钛、锑、镍、铬、锰、铁、钒、铌、锆、钇、钼、钨、黄铜、青铜、钢、碳、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧 化钛、氧化铁等。这些粉末或涂层可以单种组分的单独层的形式或者作为多组分涂层或粉 末混合物的层添加。包括这种粉末成分的涂层作为合适的涂层涂覆到要焊接部件的界面表 面。所述部件被组装并被支撑用于摩擦搅拌焊接。这些涂层也可以涂覆到面对摩擦搅拌焊 接工具的工件的顶表面上。在焊接期间，所添加的材料被搅拌、混合，并可与搅拌影响区域 中的相邻的铝和镁起反应。得到的更复杂的混合物形成较强的焊接结合。
这种粉末成分通过经验或者试验选择，以改进FSW的机械属性。例如，粉末成分可
与母体金属(例如，铝合金和镁合金)反应以在搅拌区域形成较高熔点(比单独从母体金 属相互反应所形成的组分的熔点更高)的组分或者增加所产生的金属间液体的粘度，使得 搅拌区域变得相对结实或牢固并降低其粘附到焊接工具的趋向性。所添加的粉末或涂层材 料可与母体金属反应以形成其它微观结构组分。由于所添加的粉末或涂层材料和/或反应 产物的小颗粒的散置引起的搅拌区域材料的熔点的增加或者搅拌区域牢固性的增加能增 加在不同金属工件之间得到的接头的强度和/或韧性。 在设想使用界面成分改变粉末的本发明的另一个实施例中，使用高导热率砧台来 抵靠摩擦搅拌工具支撑工件并促进从搅拌区域的热传递以使得在摩擦搅拌焊接期间低熔 点金属间材料的形成最小化。增加的冷却速率用于避免或者最小化焊接区域中的熔融。增 加的冷却速率用于最小化低熔点金属间材料形成的量并增加得到的金属和金属间液体的 混合物的牢固性。 如上所述，成分改变粉末材料可通过经验或试验来研发和指定。例如，在铝和镁的 摩擦搅拌焊接期间搅拌区域中的温度能够容易地为45(TC和以上。锡和锌具有相对低的熔 点，分别为约232和420°C 。因而，在摩擦搅拌焊接期间，锡和锌熔融且锡或锌液体能够与相 邻的铝和镁材料反应。例如，在摩擦搅拌焊接期间，锡能够与镁反应，形成固体Mg2Sn (熔点 约770. 5°C )颗粒和富含锡的Mg-Sn液体的混合物。同时，铝和镁能形成Al-Mg共晶液体。 由此形成的Mg^n颗粒和所添加的颗粒(例如，铜颗粒)连同母体材料中存在的夹杂颗粒一 起与Al-Mg共晶液体混合，以降低其流动性并增加其牢固性。该混合物还与搅拌影响区域 中的未反应的铝和镁母体材料混合，从而得到相对牢固和强的搅拌区域。该牢固性也降低 了搅拌区域材料粘附到焊接工具的趋向性。在冷却时，强的和坚韧的焊接件由铝合金、镁合 金、Mg^n、Al-Mg金属间复合物(如Al^g》以及铜的复杂成分形成。也可以包含一些锡。
中间层材料成分以粉末等形式适当地使用，以利于散置到从相邻的面对面的工件 的摩擦搅拌工具塑化金属中并与其形成合金。补充的涂层材料涂覆到不同金属成分的叠置 或邻接工件的接触区域上。涂层材料在工件被组装并支撑用于FSW之前可作为松散粉末设 置到工件中的一个或两者的面对面的表面上。除了作为松散粉末涂覆之外，中间层材料的 添加可通过任何适当的涂层方法(例如冷喷射、电子束真空沉积、热喷射等)或者通过包盖 或者简单地通过添加适当成分的薄的材料件来完成。 本发明的其它目的和优势从本发明的某些优选说明性实施例的详细描述显而易 见。
图1示出了在例如第一金属合金工件与第二金属合金工件的叠置边缘的表面中 的摩擦搅拌点焊件的直线序列的形成。摩擦搅拌焊接工具示出在撤回的位置，准备用于形 成第三点焊件。混合的粉末材料的涂层已经沿预期点焊件的路径设置在叠置表面之间。
图2是图1的组件中所形成的单个点焊件和相邻区域的截面图。图2示出了具有 搅拌区域和附近的涂层材料的第一和第二金属合金工件的变形区域。 图3示出了不同的金属条或板的邻接件，其中一层合金粉末的涂层材料设置在邻 接表面之间。 图4示出了在图3的邻接金属件之间形成连续摩擦搅拌对接焊缝的过程中的摩擦 搅拌工具。 图5示出了不同的基体合金成分的叠置片的摩擦搅拌焊接，其中金属粉末薄层沿 焊接路径设置在金属片之间。 图6是使用按重量计25%的铜颗粒和按重量计75%锡颗粒的粉末混合物的介入 涂层在铝片和镁片之间所形成的摩擦搅拌点焊材料的X射线衍射图案。所述图案以所检测 的X射线谱线强度Lin相对于2-Theta角的曲线示出。
具体实施例方式
铝合金与镁合金工件的FSW和FSSW通常引起相对大量的易碎低熔点金属间相的 形成，这对于获得高接头强度来说是不希望的。FSSW操作中的熔融使得搅拌区域材料粘附 到销工具，从而仅仅实现低接头强度。 进行1. 6mm厚的AA5754铝合金条到1. 3mm厚的AZ31镁合金条的摩擦搅拌点焊。 工件支撑在钢砧台上。具有约2. 4mm的探头高度、约3mm的探头直径和约10mm的工具肩部 直径的摩擦搅拌工具以1600rpm的速度旋转并以约8kN的力施加到铝表面。探头具有螺纹 外表面。探头穿过铝条并进入镁条中。塑化的点焊件在数秒内形成且工具和探头被撤回。 在形成点焊件之后，所述片经受剪切负荷以试验由单个点焊件提供给结合的工件的强度。 获得仅约90磅的搭接剪切强度值。虽然各个条的熔点高于60(TC，但是已知镁和铝形成在 15(TC和更低的温度下熔融的共晶成分。可以看出，在摩擦搅拌焊接期间形成这种易碎的低 熔点成分且导致点焊件的脆弱。 已经发现，通过在铝和镁工件之间引入例如铜和锡粉末颗粒的混合物或者铜、锡 和锌粉末的混合物或锌颗粒能够获得更高的点焊强度值。在铜重量比例从0. 1变化至0. 9 时，使用铜-锡粉末中间层材料的1.6mm的5754铝到1. 3mm的AZ31镁的摩擦搅拌点焊接 头的搭接剪切强度，从没有铜-锡中间层的焊接件的约901b提高到200-4501b。铜比例为 0. 25的粉末混合物提供4501b的搭接剪切强度。在1. 3mm的AZ31镁片(设置在顶部，即工 具侧)条用钢砧台摩擦搅拌点焊到2. 5mm的5754片条的另一个实施例中，在没有任何涂层 添加的情况下获得约2001b的搭接剪切强度。借助于使用锌粉末的中间层，获得约4201b 的搭接剪切强度。 在其它试验中，在铝和镁条支撑在高导热率的铜砧台上时，摩擦搅拌点焊件在叠 置的铝和镁条上形成。高导热率砧台定尺寸和形状为从压靠铜砧台的下部工件的摩擦搅拌点焊区域快速传导过多的热(引起熔融)。已经发现，按重量计包括一份铜和三份锡；铜、 锡和锌(下文称为铜-锡-锌)每种一份；和100%锌的三种金属粉末成分显著地增加了 铝合金和镁合金条之间所形成的摩擦搅拌点焊件的搭接剪切强度。在一系列试验中，混合 的铜、锡和锌颗粒的涂层通过冷喷射涂层工艺涂覆到铝条上至约0. 2mm的厚度。冷喷射通 过使用超声载气以将金属粉末朝要涂覆的基底推动来完成。高速颗粒冲击基底且变形成致 密的和粘附性涂层。喷射喷嘴中的气体温度低于颗粒的熔点。在补充使用铜砧台时，对于 1. 6mm厚的5754铝到1. 3mm厚的AZ31镁的FSSW接头已经获得高于7501b的搭接剪切接头 强度。例如，添加铜、锡和锌每种一份的涂层提供了 6001b的平均搭接剪切强度，100%的锌 提供了 6501b的搭接剪切强度，而一份铜和三份锡则提供了 7501b的搭接剪切强度。使用 铜砧台和/或水冷却砧台降低了焊接期间搅拌区域的温度并有助于保持搅拌区域结实或 相对牢固。 与没有添加任何涂层或粉末混合物的情况下的2501b的搭接剪切强度 相比，FSSW试验也针对使用其它粉末混合物的用铜砧台支撑1.6mm厚的5754铝 到1. 3mm厚的AZ31镁来进行，所述其它粉末混合物例如10Cu-90Sn (5001b)、 25Ag-75Sn(5001b)、25Ag-65Sn-10Zn(6151b) 、Zn(6501b)、10C-90Sn(5001b) 、Al203(5501b)、 50Al-50Al203(6061b)等。组分用重量百分比标识，在每种粉末混合物之后的括号中提 供了平均搭接剪切强度。也有显著地改进接头强度的其它粉末混合物，例如A1^和 25Cu-75Sn(大约等体积比例)粉末混合物提供了 6951b的平均搭接剪切强度。也能够对 顶表面(即，在摩擦搅拌工具侧上)或顶表面和结合面添加粉末或涂层。例如，在铝粉末添 加到AZ31片的顶部且铜-锡-锌粉末添加到结合面处的情况下，1. 3mm的AZ31片到2. 5mm 厚的5754铝片的FSSW提供了 5801b的搭接剪切强度。
将描述用粉末涂层的摩擦搅拌焊接的进一步实践。 在图1中，第一金属成分条10(或片或板或其它工件形状)的边缘14叠置在第二 金属成分的第二条12(或片或板或其它工件形状)的边缘16上。通过图示，第一金属成分 可为铝合金，第二金属成分可为镁合金。上部条10的下表面18靠在条12的上表面20上。 在该实施例中，各个条的叠置边缘14、 16是平行的，且打算在平行边缘14、 16之间形成直线 形式的一系列摩擦搅拌点焊件。被预先确定以改进点焊件强度的成分的涂层22在条10、 12 被组装成所示叠置位置之前涂覆到条10、12中的至少一个的表面上。在该示例中，涂层22 以大致矩形条(图1中的实边和虚线)涂覆在片10、12的面对面的表面18、20之间。涂层 22沿预期点焊件的路径延伸。在金属部件分别由镁合金和铝合金形成的实施例中，在涂层 中可以使用如上所述的中间层组分。 叠置的条10、12被组装并倚靠摩擦搅拌工具24所施加的力来支撑。在本发明的 优选实施例中，工件10、12支撑在如图5所示的高导热率砧台或者水冷却砧台上且结合该 附图更充分地描述。支撑砧台在图1中未示出。摩擦搅拌工具24具有圆柱形本体26，带有 同心的截头锥形末端28和带螺纹的轴向探头30。探头也可以是圆锥形。探头30上的螺纹 可以由阶梯状螺旋或者促进摩擦搅拌和形成强焊接件的其它合适轮廓取代。截头锥形末端 的底面提供环状肩部32，轴向延伸探头30从环状肩部32延伸。在摩擦搅拌焊接中，探头 30和肩部32被旋转并压成与工件的预定摩擦搅拌接触表面接合。如已知的那样，肩部32 和探头30能够被独立地致动并以不同的速度旋转，在本文不描述其机制。在图1所示的实施例中，工件条10的上表面34上的点焊部位是摩擦搅拌工具24的探头30和肩部32的指 定接触区域。 在摩擦搅拌焊接操作中，摩擦搅拌工具24牢固地保持在被驱动的摩擦搅拌机器 (未示出)中，所述摩擦搅拌机器适合于将工具探头30和环状肩部32抵靠工件的一个或 多个表面定位。在图1中，摩擦搅拌工具24定位成工具(包括探头30)的旋转轴线36与 点焊部位(在图1中由十字标记38表示)大致垂直对齐。摩擦搅拌机器适合于旋转摩擦 搅拌工具24，如旋转箭头所示的那样。摩擦搅拌机器强制地使工具行进(在图1中按向下 方向箭头使工具降低)，使得旋转探头30和肩部32首先接合条10的表面34，再穿过条10 进入条12。如参考图2更充分地描述的那样，旋转探头30和肩部32与各个工件材料之间 的摩擦接触产生了大量的局部热量。接合材料被塑化。在短时间段的这种摩擦搅拌之后， 工具24从与工件接触暂时撤回。已塑化或搅拌的金属硬化，以形成点焊件(例如，图1中 的点焊部位40、42)，且工具24行进到下一摩擦搅拌点焊位置，例如在部位38上。点焊部 位40和42反映了螺纹探头30的穿过和条10的表面34与工具24的肩部32的接合。在 该示例中，在工具24用8kN的力压入工件时，工具24的旋转速度是1600rpm。探头可穿过 条10约2. 5mm并进入条12。 图2是图1的摩擦搅拌点焊部位(如摩擦搅拌点焊部位40的区域)的示意性(且 不必按比例绘制)截面图。在图2中，可看到上部条10和下部条12的一部分。通常，在工 具24将探头30和肩部32从穿入工件中提升而撤回时，圆锥形孔44剩留在点焊部位。孔 44延伸穿过条10的受影响部分并穿过条12的厚度的约50%或更多。在该点焊件的情况 下，硬化搅拌材料46的环状块在点焊件中局部地结合条10、 12。在搅拌材料46中可见来自 于探头30的阶梯状螺旋凹部47。可以看到环绕点焊部位40的未消耗的粉末涂层成分22 的薄层。条10和12之间的界面通过点焊件变形，可以看到在硬化焊接材料46附近的涂层 22的上曲率(u卯er curvature)。硬化搅拌材料46包括来自于条10、条12、涂覆的粉末成 分22及其反应产物(如果有的话)的材料。 因而，在条10是铝合金；条12是镁合金；且涂层材料包括铜、锡和/或锌的示例 中，搅拌区域46包括镁(及其合金组分中的一些)、铝(及其合金组分中的一些)、铜、锡、 锌及在摩擦搅拌过程期间可能形成的合金或复合物(例如，M&Sn、Al3Mg》中的每一种。图 6是这种焊接件的X射线衍射图案。图6的图案具有与铝和镁条以及在摩擦搅拌焊接期间 形成的Mg2Sn和Al3Mg2组分相对应的衍射峰。在结合面处添加的材料的该组分被预先确定 以提供比条10和条12的未改变成分更强的焊接块。 图3示出了邻接条(或板或其它工件形状)110、112。条IIO由第一金属成分制 成，而条112由不同的第二金属成分制成。条110、112具有互补的对齐邻接的面对面的边 缘，在边缘之间设置粉末或涂层材料层122，用于促进沿邻接接触表面形成强摩擦搅拌对接 焊接。粉末或涂层122的成分通过经验或试验预先确定，以提供微观结构组分给焊接件，从 而强化条110和112的各个不同成分之间的焊接截头。涂层122的厚度可具有十分之几 毫米至几毫米左右的量级，且被确定以提供适当量的合金成分或者增强对接焊接部位的组 分。 图4示出了在摩擦搅拌工具124旋转(见旋转方向箭头)并压入(向下的方向箭 头)粉末或涂层122和条110和112的邻接边缘时摩擦搅拌工具124的动作。在该摩擦搅拌焊接实施例中，旋转工具124在左侧边缘(如图4所示)处插入工件条110、112的邻接 顶表面并沿其界面逐渐行进(行进方向箭头指向右)。相邻的不同金属面和介入的粉末或 涂层122被搅拌和混合。当摩擦搅拌工具124沿面对面的工件表面行进时，形成硬化搅拌 材料焊球146，硬化搅拌材料焊球146提供与邻接的条110、112之间的焊接表面134的线性
滚焊焊缝。 硬化搅拌材料焊球146的成分包括条110U12的金属成分以及界面涂层122的成 分。与没有使用涂层成分122获得的焊接接头相比，组合成分在条110和112之间提供了 更强的焊接接头。 图5示出了通过摩擦搅拌焊接过程在叠置的铝合金和镁合金片之间形成线性滚 焊焊缝的本发明实施例。在本发明的该实施例中，补充合金成分的粉末或涂层使用借助于 采用高导热率支持砧台来补充，以增加摩擦搅拌焊接件的结合强度。 如图5所示，第一矩形铝合金片210具有叠置并覆盖矩形镁合金片216的边缘214 的边缘212。片210、216的厚度通常可在约1. 5毫米至约4毫米的范围内；然而，当厚板、 挤压件或铸件是摩擦搅拌焊接组件的一部分时，底部工件216可比4毫米更厚。在该示例 中，片210、216显示为具有相同的厚度且其厚度被稍微放大以示出摩擦搅拌焊接过程。而 且，在该示例中，边缘212和214平行，且线性滚焊焊缝以大致平行于片边缘212、214且位 于边缘212、214之间的线的形式形成。 被预先确定以改进对接滚焊焊缝的强度的成分的粉末或涂层225在片210、216被 组装成所示叠置位置之前涂覆到片210、216中的至少一个的表面上。在该示例中，涂层225 以大致矩形的条(图5中的实边和虚线)形式涂覆在片210、216的面对面的表面之间。涂 层225沿预期线性滚焊焊缝的路径延伸。在金属部件分别由铝合金和镁合金形成的实施 例中，铜_锡、铜_锡_锌、锌或如上所述的其它成分可在涂层或粉末混合物中使用。在要 焊接两个以上的片的情况下，诸如涂层225的中间层材料可涂覆到结合面中的一些或全部 上。在不同的结合面处涂层成分也可以不同，取决于两种相邻的母体材料的成分。该情况 适用于上述线性摩擦搅拌焊接和摩擦搅拌点焊过程。 再次参考图5，叠置片210、216要焊接的部分放置在三个矩形铜合金砧台板218、 220、222的堆叠体上，在该示例中，铜合金砧台板218、220、222具有相同的尺寸和形状。叠 置片210、216的组件通过合适的夹具或夹持装置(未示出)被紧固用于摩擦搅拌焊接。在 图5中，砧台板218、220、222延伸到片210、216的边缘212、214之外。在该示例中，采用三 个砧台板218、220、222的堆叠体。然而，可以采用单个砧台板、或者不同数量的板来获得从 薄镁和铝片上的摩擦搅拌焊接部位的适当散热。例如，当摩擦搅拌焊接过程是连续和持续 进行的且砧台的温度可能增加时，有时期望更大的砧台质量或砧台板的水冷却。
具有圆柱形工具本体226和截头锥形端部228的摩擦搅拌工具224用于生成滚焊 焊缝，端部228承载轮廓探头230。摩擦搅拌工具224夹持在被驱动的摩擦搅拌焊接机器 (未示出)的卡盘中，摩擦搅拌焊接机器使得摩擦搅拌工具224在圆形工具本体226、圆锥 形端部228和轴向探头230的中心处围绕纵轴线旋转。摩擦搅拌机器将摩擦搅拌工具224 定位在叠置片210、216上，其中探头230几乎垂直地指向上部片210的上表面232。在该示 例中，摩擦搅拌机器使得摩擦搅拌工具224如图5中弯曲的周向箭头所示那样旋转，且如竖 直箭头所示那样将探头230的端部抵靠铝合金片210的表面232冲压。
当摩擦搅拌工具224的旋转探头230压入片210中时，探头230塑化并搅拌下面 的相邻铝合金和镁合金片材以及介入的涂层材料层225。摩擦搅拌探头230穿过铝合金片 210的厚度进入镁合金片216。在形成滚焊焊缝时，如图5所示，摩擦搅拌工具224(其中， 旋转探头230穿过工件材料)以大致平行于片边缘212、214的线性路径移动，以逐渐搅拌 和加热由摩擦搅拌工具224接合的金属和介入涂层。当旋转摩擦搅拌工具224沿其预定路 径移动时，后面留下的搅拌、加热和混合的片金属层和涂层材料冷却并再次硬化。这种再次 硬化材料在234处以部分形成的焊缝示意性地示出。焊缝234包括铝合金片210、镁合金 片216以及介入的涂层225的混合成分以形成母体材料和在焊接期间形成的微观结构组分 (如Mg2Sn和Al3Mg2)的复合物，从而提供强的焊球。包括来自于层225的材料的焊缝234 比仅仅由原始铝合金和镁合金组分形成的焊缝更强。 在该示例中，探头230穿过顶部片210的厚度并进入下面的片216预定深度。在 旋转摩擦搅拌工具224在叠置片210、216上移动预定长度之后，线性焊缝234以该预定长 度延伸经过片210、216的宽度。 在该实施例中，三个铜板218、220、222的堆叠体被选择以从叠置片组件的摩擦搅 拌影响区域提取过多的热，以避免或者最小化搅拌影响的材料的熔融。三个板(或者不同 数量或尺寸的板)的导热率和质量通过试验或其它分析方法预先确定以利于片210、216的 摩擦搅拌焊接，以获得焊接件和叠置片组件的期望性能。 上述实施例描述了铝片到镁片的摩擦搅拌焊接的示例，其中，铝片在顶部上(即， 摩擦搅拌焊接工具224的入口侧)。在该实施例中，高导热率砧台(如硬的铜合金或水冷却 钢砧台)用于提取过多的热，以在焊接部位处保持合适的温度，从而获得焊接件和叠置片 组件的期望性能。 在镁合金片在顶部且铝合金是与支撑砧台接触的底部工件的另一个实施例中，如 果铝工件与砧台组合的热提取能力过大使得不能获得焊接件和叠置片组件的所需性能，那 么钢或导热率较小的砧台是优选的。该情况适用于上述线性摩擦搅拌焊接和摩擦搅拌点焊 过程两者。 已经使用某些说明性示例来描述了本发明的实践，但是本发明的范围并不限于这 种说明性示例。
权利要求
一种在不同金属或金属基合金成分的两种或更多金属工件之间形成摩擦搅拌焊接件的方法，所述方法包括形成组件，在所述组件中，至少两个工件具有带有结合面焊接位置的结合面，摩擦搅拌焊接件要在结合面焊接位置处形成，且一个工件具有带有摩擦搅拌接合位置的表面，所述摩擦搅拌接合位置用于与旋转摩擦搅拌焊接工具接合；将中间层成分设置在摩擦搅拌接合位置或结合面焊接位置中的一个或两者处，所述中间层成分被选择以增加摩擦搅拌焊接件的强度；和用摩擦搅拌工具将金属工件摩擦搅拌，所述摩擦搅拌工具最初接合摩擦搅拌接合位置并穿过工件到达每个结合面焊接位置，所述摩擦搅拌工具的动作使得中间层成分与工件的金属成分混合并在结合面焊接位置处形成焊接材料，所述焊接材料包括来自于中间层成分、每个工件材料和任何反应产物的组分。
2. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，所述组件被支撑在砧台上，所述砧台适合于避免或最小化焊接位置 处的熔融。
3. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与工件组分的组合物增加焊接材料的熔点。
4. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与工件组分及其反应产物的组合物增加了在焊 接期间熔融搅拌区域材料的粘度。
5. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，工件组件具有带有第一和第二结合面焊接位置的第一和第二结合 面，且相同的中间层成分被混合到第一和第二结合面焊接位置中的每个的焊接材料中。
6. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，工件组件具有带有第一和第二结合面焊接位置的第一和第二结合 面，且第一中间层成分被混合到第一焊接位置处的焊接材料中，而不同的第二中间层成分 被混合到第二焊接位置处的焊接材料中。
7. —种在镁合金工件和铝合金工件之间形成摩擦搅拌焊接件的方法，所述方法包括 形成组件，在所述组件中，至少镁合金工件和铝合金工件具有带有结合面焊接位置的结合面，摩擦搅拌焊接件要在结合面焊接位置处形成，且一个工件具有带有摩擦搅拌接合 位置的表面，所述摩擦搅拌接合位置用于与旋转摩擦搅拌焊接工具接合；将中间层成分设置在摩擦搅拌接合位置或结合面焊接位置中的一个或两者处，所述中 间层成分被选择以增加摩擦搅拌焊接件的强度；禾口用摩擦搅拌工具将金属工件摩擦搅拌，所述摩擦搅拌工具最初接合摩擦搅拌接合位置 并穿过工件到达每个结合面焊接位置，所述摩擦搅拌工具的动作使得中间层成分与工件的 金属成分在结合面焊接位置处混合并在结合面焊接位置处形成焊接材料，所述焊接材料包 括来自于中间层成分、每个工件材料和任何反应产物的组分。
8. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分包括氧化铝、 铝、碳、铜、银、锡和锌中的一种或多种。
9. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分包括铜、锡和锌中的一种或多种。
10. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括 银、锡和锌。
11. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括铜 和锡。
12. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括锌。
13. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括碳 和锡。
14. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括 铜、锡和氧化铝。
15. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括氧 化铝。
16. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分主要包括铝 和氧化铝。
17. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，所述摩擦搅拌接合位置 在镁合金片上，铝成分设置在摩擦搅拌接合位置处；且主要包括铜、锡和锌的中间层成分设 置在结合面焊接位置处。
18. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，所述组件被支撑在砧台 上，所述砧台适合于避免或最小化焊接位置处的熔融。
19. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与镁 和铝工件组分的组合物增加焊接材料的熔点。
20. 根据权利要求7所述的形成摩擦搅拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与镁 和铝工件组分及其反应产物的组合物增加了在焊接期间熔融搅拌区域材料的粘度。
全文摘要
本发明涉及不同金属的摩擦搅拌焊接。当摩擦搅拌焊接工具穿过不同金属合金材料的两个工件的界面时，得到的不同合金材料的焊接件可能产生弱的焊接接头。例如在试图在镁合金片或条和铝合金片或条之间形成点焊件或其它摩擦搅拌焊接件时通常经历这种弱的接头。已经发现设置在组装的工件界面处的合适的涂层成分能够改变摩擦搅拌焊接材料的成分并强化得到的结合。在镁合金和铝合金工件之间的摩擦搅拌焊接件的示例中，发现铜、锡和锌及其它粉末的组合能够强化含有镁和含有铝的摩擦搅拌焊接材料。
文档编号B23K20/26GK101722358SQ20091020422
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者M·T·霍尔, R·T·塞曼斯基, S·K·基姆布利, X·Q·盖登, Y·-L·陈 申请人:通用汽车环球科技运作公司