材料的摩擦钻头接合的制作方法

材料的摩擦钻头接合的制作方法
【专利摘要】一种使用具有至少部分可消耗的钻头的摩擦搅动工具的系统和方法可以通过以下得以改进：在所述钻头上提供增强型切削几何结构，修改停止时间以改进钻头接合，在自动化摩擦钻头接合方法中包含自动化追踪，提供自动化馈送和自动化摩擦钻头接合，使所述摩擦钻头接合系统可便携，使所述摩擦搅动工具能被机器人装置可用或可用作手持式装置，即使仅基底材料是与所述可消耗的钻头可固态接合的，也能摩擦钻头接合多个不同层，对传统上不可焊的材料执行金属缝合，执行固态塞焊，并且在可变RPM下操作所述摩擦钻头工具，从而改进钻头接合特征。
【专利说明】
材料的摩擦钻头接合

【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及摩擦搅动接合方法。更确切地说，本发明是使用摩擦搅动工具将工件接合在一起的系统和方法，所述摩擦搅动工具具有至少部分可消耗的销或钻头，其中钻头可以具有在以第一速度旋转时切割通过第一工件材料的切削边缘。在切割通过第一工件材料至足够的深度之后，工具的转速可以改变以使得钻头自身以及接合到第二工件材料的第一工件材料塑化。在通过摩擦搅动工具对第一工件材料和第二工件材料以及钻头充分加热之后，工具的旋转可以迅速减速或完全停止，以使钻头与第一工件材料和第二工件材料能固态结合。这种工艺将贯穿本文称为摩擦钻头接合，其中所述钻头贯穿本文均是改进的销或铆钉。

【背景技术】
[0002]有许多方法能用于将金属工件接合在一起；其中的一些方法包含焊接、点焊、紧固件(例如，螺钉和螺栓)、摩擦搅动焊接等。支配所有接合方法的三个基本原理包含机械连接、熔接(焊接)以及固态接合(摩擦焊接)。每一个原理技术都有优势；然而，通常选择用于应用的方法指定为具有最少的可容许缺点的方法。
[0003]机械工件接合方法的示例包含螺钉、螺母和螺栓、楔形榫、型锻、铆接、干扰连接等。由于螺纹具有限定的承载力、高成本的多个组件和组装件、必须在工件中安置的孔和/或紧固件所需的空间的成本，因此许多应用无法使用螺钉或螺栓。楔形榫以及其它工件锁定方法在指定方向上锁定，但是可能在其它方向上滑动或旋转分开。铆钉可能具有任何机械紧固件的每单位面积和体积的最大接合强度，但是铆钉头的机械变形会降低能量吸收能力以及伸长率。
[0004]当机械方法是不可接受的接合技术时，利用熔焊方法，除非工件被视为是不可焊的。例如，由7000系列铝制成的飞机组件被视为是不可焊的，因为所得的焊缝强度低至基底金属特性的50%。例如钢、不锈钢和镍基合金等高熔化温度材料(HMTM)可以被焊接，但是接合强度因与熔焊相关的问题而受限。这些问题包含但不限于凝固缺陷、在焊缝宏观组织中的硬/软区、由液相到固相的转变产生的残余应力、孔隙率、开裂、不均匀和不可预测的微观结构、腐蚀敏感性、工件变形以及工件基底材料特性的损失。
[0005]通常需要后焊操作以修复失真或者非破坏性地核定焊缝并且会对工艺增加成本。此外，如果未遵循正确的安全操作步骤，那么会对操作员存在与六价铬和锰暴露有关的健康问题以及潜在的视网膜损伤。在多数情况下，必须增加工件的尺寸以使用被视为可焊的较低强度的基底材料而取代被视为不可焊的较高强度材料。目前由较低强度钢制成的汽车车身就是这种情况。先进的高强度钢(双相钢以及相变诱导塑性(TRIP)钢)可以用于框架结构中以大大减少车辆重量，但是由于可熔焊性问题，这些材料还没有被使用。
[0006]摩擦搅动焊接是具有优于熔焊方法的许多优点的固态焊接工艺。图1是用于摩擦搅动焊接的工具的透视图，其特征在于是大体上圆柱形的工具10，具有肩部12以及从所述肩部向外延伸的销14。销14抵靠工件16旋转，直到在工具的销塞入到塑化工件材料中的点处产生足够的热量为止。工件16通常是在接缝18处对接在一起的两张材料片或材料板。销14在接缝18处被塞入到工件16中。尽管这种工具在现有技术中已经公开，但是这里将解释所述工具可以用于新的用途。
[0007]应注意，贯穿本文可以互换地使用术语“工件”和“基底工件材料”。
[0008]因销14抵靠工件材料16的旋转运动引起的摩擦热量使得工件材料在未达到熔点的情况下软化。工具10沿着接缝18横向地移动，由此在塑化材料围绕销从前边缘流到后边缘时形成焊缝。结果是在接缝18处形成与其它焊缝相比通常可以与工件材料16自身不可区别的固相结合20。
[0009]可以观察到，当肩部12接触工件的表面时，其旋转会产生额外的摩擦热量，使围绕经插入的销14的更大的圆柱形柱状材料塑化。肩部12提供锻造力，该锻造力包含因工具销14引起的向上的金属流动。
[0010]在FSW(摩擦搅动焊接)期间，将要焊接的区域与工具相对于彼此移动，使得工具横穿焊缝的期望长度。旋转FSW工具提供了连续的热加工动作，在工具沿着基底金属横向地移动时使金属在狭窄的区中塑化，同时将金属从销的主面传送到其后边缘。随着焊缝区冷却，通常不存在凝固，因为在工具通过时没有液体产生。通常的情况是但并非总是如此，所得的焊缝是在焊缝区域中形成的无缺陷的、再结晶的细晶微观结构。
[0011]行进速度通常是10到500mm/min，具有200到2000rpm的旋转速率。所达到的温度通常接近但是低于固相温度。摩擦搅动焊接参数取决于材料的热特性、高温流动应力以及穿透深度。
[0012]先前的专利文献已经教示了能够使用先前被视为功能上不可焊的材料来进行摩擦搅动焊接的益处。这些材料中的一些是不可熔焊的，或者就是难以焊接的。这些材料包含，例如，金属基复合材料、铁基合金，如钢和不锈钢、以及非铁材料。另一类也能够利用摩擦搅动焊接的材料是超合金。超合金可以是具有较高熔化温度的青铜或铝的材料，并且也可以混合其它元素。超合金的一些示例是通常在高于1000华氏度的温度下使用的镍、铁镍合金以及钴基合金。通常在超合金中发现的其它元素包含但不限于，铬、钥、钨、铝、钛、铌、钽和铼。
[0013]先前的专利教示了需要的工具是使用具有比被摩擦搅动焊接的材料更高的熔化温度的材料构成的工具。在一些实施例中，在工具中使用超硬磨料。
[0014]还应注意，短语“摩擦搅动加工”还可以互换地称为“固态加工”。固态加工在本文中定义为暂时转变至通常并不包含液相的塑化状态中。然而，应注意，一些实施例允许一个或多个元素经历液相，并且仍能实现本发明的益处。
[0015]在摩擦搅动加工中，工具的销被旋转并且塞入到将被加工的材料中。工具跨越材料的加工区域横向地移动。使得材料在固态加工中经历塑化的操作才可以产生经改进以具有与原始材料不同的特性的材料。
[0016]如今，摩擦搅动点焊(FSSW)正被实验上用以在搭接焊配置中接合先进的高强度钢。如美国专利申请20050178817中所描述的，FSSW正被商业上用以搭接焊铝组件。目前使用两种方法。
[0017]第一种方法包括将销工具(由销以及肩部组成的FSSW工具)塞入到工件中，直到工件被摩擦点焊焊接在一起为止。使用这种方法的缺点是从销留下孔26，如图2中所示。在工具的肩部以下实现了工件28之间的结合，而销孔降低了焊缝的强度。
[0018]第二种方法包括设计设备以使材料返回到销孔中(美国专利6722556)。由于进行点焊所需的大主轴头、夹具要求以及加载，这种方法相当繁琐。
[0019]本发明的实施例大体上涉及这些功能上不可焊的材料以及超合金，并且在下文中贯穿本文被称为高熔化温度材料(HMTM)。然而，本发明的原理也适用于较低熔化温度的材料，例如铝以及不被视为高熔化温度材料的一部分的其它金属和金属合金。
[0020]在摩擦搅动焊接技术中的最新发展已经产生了可以用以在摩擦搅动焊接的固态接合加工期间将例如钢和不锈钢等高熔化温度材料接合在一起的工具。
[0021]如前所述，这种技术包括使用摩擦搅动焊接工具，所述工具可以包含聚晶立方氮化硼(PCBN)尖端。在现有技术中也出现了这种工具的其它设计，并且包含整体式工具以及其它设计。
[0022]当使用这种特别的摩擦搅动焊接工具时，在摩擦搅动焊接各种材料上都有效。这种工具设计在使用除PCBN以及P⑶(多晶金刚石)之外的各种工具尖端材料时也有效。这些材料中的一些包含耐火材料，例如钨、铼、铱、钛、钥等。
[0023]在金属工件的接合中能够提供可以使用部分可消耗的工具以通过快速且经济的方式使用可消耗的钻头来执行FSSW的系统和方法，这将是优于现有技术水平的优点。


【发明内容】

[0024]一种摩擦钻头接合至少两个工件的方法，其中使用具有至少部分可消耗的钻头的摩擦搅动工具的系统和方法可以通过以下得以改进:在钻头上提供增强型切削几何结构，修改停止时间以改进钻头接合，在自动化摩擦钻头接合方法中包含自动化追踪，提供自动化馈送和自动化摩擦钻头接合，使摩擦钻头接合系统可便携，使摩擦搅动工具能被机械装置使用或可用作手持式装置，即使仅基底材料是与可消耗的钻头可固态接合的也能摩擦钻头接合多个不同层，对传统上不可焊的材料执行金属缝合，执行固态塞焊，并且在可变RPM下操作摩擦钻头工具，从而改进钻头接合特征。
[0025]根据结合附图的以下详细描述，对于所属领域的技术人员来说，本发明的这些以及其它目的、特征、优点和可替代的方面将变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1是能够对高熔化温度材料执行摩擦搅动焊接的现有摩擦搅动焊接工具的现有技术的透视图。
[0027]图2是如在现有技术中进行的使用摩擦搅动点焊(FSSW)执行的三个焊缝的轮廓图。
[0028]图3是根据现有技术的原理构造的可以执行摩擦搅动钻头接合的旋转工具的透视图。
[0029]图4是图3的工具的轮廓图，其中可消耗的钻头已经完全穿透两个工件。
[0030]图5是示出摩擦搅动接合工具的钻头可以不垂直于工件表面的抠角(rakeangle)来运作的轮廓图。
[0031]图6是示出多层工件的轮廓图，其中仅底部工件可以与至少部分可消耗的钻头形成固态结合。
[0032]图7是具有裂缝的工件的俯视图，其中可以使用金属缝合以通过可消耗的钻头来填充裂缝。
[0033]图8是工件和摩擦钻头接合工具的轮廓图，所述摩擦钻头接合工具具有能对孔进行固态塞焊的芯体切削几何结构。
[0034]图9是具有用于多段式钻头的中心孔以用于快速摩擦钻头接合的工具的轮廓剖视图。

【具体实施方式】
[0035]现将参考附图，其中本发明的各种元件将以数字标号指定并且其中将对本发明进行论述，以便使所属领域的技术人员能制备并且使用本发明。应理解，以下描述仅是本发明的原理的示例，且不应视为缩窄所附权利要求的范围。
[0036]现有技术教示了旋转摩擦搅动工具，所述工具具有不可消耗的肩部以及形成摩擦钻头接合方法的基础的可拆卸的且至少部分可消耗的钻头。钻头可以是完全可消耗的或者部分可消耗的。图3图示了现有技术教示可以如何构造摩擦搅动工具。
[0037]图3是现有技术的透视图示，其示出了具有肩部区域32以及可拆卸的且至少部分可消耗的钻头34的摩擦钻头接合工具30。钻头34还可以充当铆钉，但是贯穿本文总体上被称为钻头。在此特定的摩擦钻头接合工具30中，可拆卸的且至少部分可消耗的钻头34包含小间隔36。钻头34的直径小得多的钻头部分42形成小间隔36。钻头34的这种小直径钻头部分42引起折断。小间隔36使钻头34的可拆卸的部分38能保持嵌入在工件内作为钻头。还应注意，如将加以说明的，钻头34的非拆卸部分40也可以是另一钻头区段的顶端。
[0038]图4也是现有技术的图示并且示出了如何摩擦钻头接合(也称为“摩擦搅动铆接”)钢或另一金属。摩擦钻头接合工具30在某一速度下旋转，允许工具的钻头34加工或切去第一工件材料50，从而在其中形成孔54。在钻头34的末端添加特征以便于机械加工期望的孔。例如，图4中示出了切削特征44。
[0039]本发明通过教示摩擦钻头接合工具的钻头可以某角度切入工件而在现有技术的基础上进行了改进。本发明的第一实施例的第一方面在图5中示出。第一实施例针对改进在执行摩擦钻头接合时摩擦钻头接合工具的使用。第一实施例教示了改进的角度可以用于摩擦钻头接合工具30。
[0040]现有技术教示了以垂直于工件的角度切入工件，如图4中所示。相反，本发明教示了在摩擦钻头接合工具上的钻头34能够以正抠角或负抠角进入工件80。抠角可以是正的或负的，而不会损坏摩擦钻头接合工具或者过早地损坏钻头34。抠角可以是从+45度到-58度的任意角并且在本发明的限制范围内。虽然抠角可以在指定的角度之间变化，但是钻头34的优选的抠角可以在法线的正或负7度之间。
[0041]第一实施例还阐述了操作的其它角度。由工件80的工作表面82与钻头34的工作端40或底部后角(relief angle)形成的角度可以是零度与63度之间的任意角。钻头34的切削表面可以具有零度到53度的间隙后角。
[0042]钻头34在用以切入工件时可以被表征为钻孔钻头(drill bit)。已经确定钻头34可以具有外切削表面，外切削表面具有带后角的边沿。
[0043]可以用在钻头34的第一实施例上的切削特征可以被认为包含细井钻(Hosoidrill)的几何结构，在钻头的工作端上具有螺旋切削边缘，但是这不应视为限制因素。在本发明的范围内还可以考虑其它切削特征的几何结构。
[0044]可以包含在第一实施例的钻头34中的本发明的其它切削特征包含用于打洞到工件中或打洞穿过工件的芯体切削几何结构(如图8中所示)以及断屑器。
[0045]本发明的另一方面扩展了使用至少两个不同的速度以用于钻头34的概念；一个速度用于切削，并且另一速度用于形成钻头34到工件的固态结合。在本发明中，可以使用单一速度，其中所述单一速度可以足以用于实现切入工件，并且还用于在同一速度下执行固态结合。
[0046]现有技术的一个特征是工件中使用的材料是可以与充当铆钉时的钻头34形成固态结合的所有材料。相反，在另一实施例中，本发明教示了可以具有形成工件的多个不同层。
[0047]图6图示了新概念，即在此实施例中，存在可以不与钻头34形成固态结合的一个或多个工件层90。然而，可能的不同之处是仅底部工件层92需要是可以与钻头34形成固态结合的材料。钻头34可以切削通过底部工件层92上方的所有工件层90，从而与底部工件层形成固态结合。
[0048]在另一实施例中，工件层90与钻头34形成机械结合而不是固态结合。在另一实施例中，至少一个工件层90形成机械结合，而至少一个其它工件层90形成固态结合。其中的一些可以形成机械结合并且其中的一些可以形成固态结合的工件层90的配置可以取决于应用根据需要而改变。工件层90可以由具有变化的不同特性的材料构成，包含非金属材料，例如塑料和复合材料。
[0049]本发明的下一个方面针对如何停止摩擦钻头接合工具30。现有技术中的一个示例在图4中示出。如图所示,一旦孔54的深度56已经延伸到第二工件52中，摩擦钻头接合工具30的转速就会减速以在钻头34与将被接合在一起的第一工件50和第二工件52之间产生热量。固持并且旋转摩擦钻头接合工具30的主轴(未示出)可以或者立即停止或者减速，直到旋转工具所需的扭距超出更小直径的钻头直径部分42的剪切强度为止。更小直径的钻头部分42经设计以在指定的扭矩下剪断摩擦钻头接合工具30的钻头34的可拆卸的部分38。
[0050]相反，本发明教示了摩擦钻头接合工具30的快速停止可能对驱动摩擦钻头接合工具的电机造成问题。为了减少对电机的磨损，本发明教示了停止周期，该停止周期被定义为用于摩擦钻头接合工具30从固态接合旋转速率运行到完全停止所花费的时间。此实施例包含使用单步停止时间、使用多步停止时间、使用用于摩擦钻头接合工具30的可变RPM分布并且包含停止周期中的停留时间在不到10秒内减速到停止。所有这些停止周期可以减少对控制摩擦钻头接合工具30的旋转的电机的磨损。
[0051]在另一实施例中，通过在电机上使用离合器，停止周期可以是几乎瞬时的。通过使用离合器，驱动工具的主轴的电机可不受约束地缓慢停止移动，同时摩擦钻头接合工具30可以非常迅速地停止，或者在不到一秒内尽可能快地停止。
[0052]在本发明的另一实施例中，使用具有特定的锥形钻头形状的钻头来取代迅速停止摩擦钻头接合工具30的电机的旋转。这种锥形的钻头可以仅允许钻头34向下移动到工件中但是不返回脱出。因此，一旦形成固态结合，摩擦钻头接合工具30仅需要释放钻头34。
[0053]在另一可替代的实施例中，在钻头34与摩擦钻头接合工具30之间设置快速释放机构。快速释放机构可以是弹簧承载的，以便更快速地释放钻头34。
[0054]本发明的另一方面针对在钻头34的至少一部分上提供涂层以用于提高硬度。提高的硬度使钻头34能穿透更硬的工件。涂层可以是所属领域的技术人员已知的将使钻头34能切入比钻头中使用的材料更硬的工件的任何类型。
[0055]在相关实施例中，涂层可以安置在钻头34的至少一部分上，使钻头能在比如果不存在涂层时更低的固态结合温度下结合到工件。在另一实施例中，涂层可以安置在钻头34的至少一部分上以改进工件中围绕钻头的材料的流动特征。
[0056]在另一实施例中，在摩擦钻头接合期间还可能需要改变工件中材料的流动特征。通过反转用以旋转摩擦钻头接合工具30执行摩擦钻头接合的主轴的旋转方向，可以实现改变流动特征。
[0057]本发明的另一实施例是针对提供便携式摩擦钻头接合系统。便携式摩擦钻头接合系统的尺寸和重量的范围可以从可以通过车辆移动到不同位置的大型系统降低到其中摩擦钻头接合系统可以通过单个操作员来操作的尺寸和重量，单个操作员固持系统并且通过操作员自己的手来支撑系统重量。便携式摩擦钻头接合工具系统还可以搁置在地面上，可以是台式单元或者手持式单元。
[0058]本发明的另一实施例针对固持或夹持不同工件使得它们可以接合。本发明设想使用磁性夹具。在此实施例中，钢用作备选，具有电磁底座以将工件固持就位。这种磁性夹具方法可以有利于摩擦钻头接合铝和复合材料。
[0059]本发明的摩擦钻头接合工具30还可以能够在摩擦搅动焊接的固态接合加工期间将例如钢和不锈钢等高熔化温度材料接合在一起。这种技术可能需要使用具有独特特性的摩擦搅动焊接工具30。例如，可以使用例如聚晶立方氮化硼(PCBN)以及多晶金刚石(PCD)等材料创建肩部。可以包含的其它材料是耐火材料，例如钨、铼、铱、钛、钥等。
[0060]可以使用本发明的原理接合的工件包含具有高于青铜和铝的熔化温度的材料。这类材料包含但不限于金属基复合材料、铁基合金如钢和不锈钢、非铁材料、超合金、钛、通常用于表面硬化的钴合金、以及空气硬化钢或高速钢。此外，本发明还可以用在不包含在上述较高熔化温度的定义范围内的被视为较低熔化温度材料的材料上。
[0061 ] 摩擦钻头接合工具30的肩部32可以由聚晶立方氮化硼或类似描述的可以防止肩部粘附到第一工件50并且提供优良的热稳定性以及耐磨性特征的材料制成。若干肩部配置可以用以形成钻头头端的形状或甚至在钻头34已经摩擦焊接到工件50、52中之后切开钻头头立而。
[0062]用于钻头34的材料通常会是那些在摩擦钻头接合加工期间可以被消耗的材料。此类材料将优选地提高在第一工件材料与第二工件材料之间的结合，并且是摩擦搅动焊接所属领域的技术人员已知的。
[0063]在另一可替代实施例中，本发明的重要方面是创建自动化摩擦钻头接合系统。自动化摩擦钻头接合系统可以例如由装配线上的机器人摩擦钻头接合系统来使用。例如，装配线可以用于构造车辆。机器人摩擦钻头接合系统可以包含但不限于:在其末端上具有摩擦钻头接合工具30的自动化臂；用于移动其中摩擦钻头接合工具将被使用的臂的自动化移动系统；用于为摩擦钻头接合工具供应铆钉的自动化馈送系统；以及自动化追踪系统。这些系统还可以手动操作。
[0064]移动系统必须具有至少一个自由度，从而允许摩擦钻头接合工具30向前移动以切削且接着插入钻头34，并且随后向后移动以允许必要时从馈送系统插入另一钻头。
[0065]理想的是，移动系统提供至少两个自由度，使得摩擦钻头接合工具30可以沿着暂时固定的工件移动到不同位置，从而可以在工件被远离机械臂移动之前插入多个钻头34。
[0066]本发明的馈送系统可以是自动化的，但是也可以是手动的。馈送系统能够以每五分钟至少一个钻头的速率供应钻头34，但是优选地在它们与工件接合时以每数秒一个钻头的速率供应。
[0067]馈送系统能够将钻头34从存储位置移动到摩擦钻头接合工具30。为本发明设想馈送系统的各种实施例，包含在摩擦钻头接合工具30的主轴中使用可伸缩传动系统、使用盒体加载系统、链式馈送系统以及用于钻头定位的料斗(hopper)/振动系统。在另一实施例中，本发明还可以包括使用第二媒体(例如，条带)用于定位铆钉和/或将铆钉固持就位，很像射钉枪，或甚至手动馈送铆钉。
[0068]自动化追踪系统使机械臂能沿着特定的路径移动工具30。所述路径可以不是直线。例如，如图7中所示，可能需要执行金属缝合，其中沿着裂缝100放置多个钻头34以便修复所述裂缝。本发明使用驱动到裂缝100中的钻头34，而不是使用螺纹机械塞。裂缝100的路径可以预编程到移动系统中，或者视觉扫描系统可以耦合到自动化追踪系统以便遵循裂缝的路径，并且在钻头被驱动到工件中之前将每一个钻头34居中。本发明可甚至用以修复传统上不可焊的材料(例如，铸铁)中的裂缝。
[0069]另一实施例是使用本发明以修复溢流孔120，如图8中所示。在执行摩擦搅动焊接时，在工具被缩回时销通常会留下孔120。随后必需塞住孔并且修整表面。在另一实施例中，本发明可以用以执行固态塞焊，其中使用芯体切削钻头104(优选地在正被修复的现有孔120上居中)将更大孔切入工件122。因此，本发明将使用具有芯体切削几何结构的钻头104。钻头可以切入工件122至某深度，使得钻头的顶表面实质上与工件122的表面124齐平。
[0070]出于孔修复的目的，使用可消耗的钻头有相当大的好处。这些好处包含但是不应被视为限于:消除工件上的氧化；减少工件上的应力集中；留下具有若不比工件表面处的材料更好，则至少与工件表面处的材料一样好的顶表面的钻头；以及总体减少修整成本。
[0071]在另一替代实施例中，可以使例如氩气或二氧化碳等惰性气体流过工具30的中心以在摩擦钻头接合期间防止氧化。
[0072]在另一可替代的实施例中，使用本发明的摩擦钻头接合加工可以接合两个以上工件。因此，将相应地调节钻头34的区段长度。
[0073]在另一可替代的实施例中，应注意，取决于应用，所接合的工件可以是相同的或不同的材料。
[0074]同样，在钻头34中使用的材料可以是与所有的工件不同的材料、与工件中的至少一个相同的材料、或者与所有工件上的材料相同。
[0075]钻头轮廓可以大不相同。钻头轮廓可以是锥形的、六边形的或者将执行切削加工以及摩擦钻头接合加工的任何所需形状。钻头34的形状将可能取决于各种方面，例如所需的结合特征或所使用的各种材料的强度。
[0076]在另一实施例中，摩擦钻头接合工具60可以具有经安置通过中心轴的孔62。孔62允许多段式钻头64(此处示出为具有通过更小直径的销部分72间隔开的三个区段)被插入并且必要时被推动穿过孔62。多段式钻头64包含多个间隔66，具有更小直径的销部分72。活塞机构68可以用以推动多段式钻头64穿过工具60并且穿出工作端70。在多段式钻头64的每一区段被折断时，活塞机构68可以向下推动多段式钻头穿过孔62，直到足够的钻头64暴露以用于下一摩擦搅动铆接加工为止。以此方式，多个铆钉可以插入到工件中，而不必停止并且重新加载多段式钻头64。
[0077]可以在多段式钻头64中使用的区段的数量不应视为限于三个。图9仅仅是出于说明的目的。在多段式钻头64上可以安置更多区段。区段的数量还可以取决于工具60的长度以及活塞机构68的长度。
[0078]钻头64可以是杆状或者是线状的，并且自动馈送穿过摩擦钻头接合工具60的中心。当正方形用于钻头64时，这可以允许来自摩擦钻头接合工具60的扭矩被传输到钻头上。然而，可以使用其它扭矩传输轮廓。甚至可以使用圆形以用于钻头64，只要当施加力时钻头64的外径上的夹紧力或者夹钳机构足以保持钻头以防钻头在摩擦钻头接合工具60内滑动。
[0079]应理解，孔62可以经安置完全穿过摩擦钻头接合工具60的柄部到非可消耗的肩部上。
[0080]钻头64可以具有各种硬度或硬度轮廓以便于穿透工件。
[0081]摩擦钻头接合工具60可以在介于I到10000RPM范围内的RPM下运行到指定的位置或加载值。
[0082]摩擦钻头接合工具60可以在与熔接点焊相同的配置中运行。例如，可以在机械臂末端上的C型夹钳中放置小直径的旋转工具(图3)，而不是使用具有C型夹钳配置的焊嘴的夹钳机构。C型夹钳配置还可以手动地使用。
[0083]钻头64可以在“头端”上具有紧固件，使得在所述位置处可以使用机械附连。例如，钻头64的末端可以具有在工件已经接合之后留下以在工件上方伸出的螺纹连轴。随后可以使用螺母以将另一组件附连到工件。
[0084]在本文中所描述的摩擦钻头接合加工的一些优点包含但不应被视为限于:快速、低能量输入加工需求的固态接合加工；由于固态加工导致的低残余应力；不需要如常规铆接中所需的预钻的孔；工件的失真减少或者排除；不像FSSW中一样在工件中留下孔；可以在约束的区域中进行加工；z轴力与电阻点焊所需的水流力相当；肩部/钻头比可以经设定大小以产生比热分布，从而优化接合强度；可以使用抗腐蚀的钻头材料；由于加工在高温下完成，尚未产生钻头34的形成并且将具有更大的能量吸收特征；钻头材料可以优于工件材料具有更大强度；并且钻头可以在裂缝的尖端处使用以防止工件中的进一步裂缝扩展。
[0085]通常的情况是，钻头34可以使用比要接合的材料更硬的材料来制得。然而，钻头34可以更软，但是以充足的力并且足够迅速地推动；它可以用以接合更硬的工件材料。钻头34还可以具有涂层以允许在涂层被机械地破坏之前完成穿透。
[0086]本发明的另一方面是可选择地移除将要从工件的孔中切削的并且由销34形成的材料。移除材料的一个方法是使用啄击(pecking)运动。摩擦钻头接合工具30的啄击运动也可以与流体流动组合以移除材料。流体可以是可压缩的或不可压缩的，包括气体、空气、雾和水。
[0087]如先前所提及的，本发明可以用以将不同的材料接合在一起，并且不限于三个主体(两个工件以及一个钻头)配置。可以同时接合多层材料。只要材料经受低于所结合的材料的熔化温度的温度梯度，就可以结合任何数量的材料。
[0088]在本发明的另一实施例中，钻头34可以由多种材料组成。钻头34可以使用能提供可以对单个钻头有用的不同工作特性的材料来制造。因此，钻头34可以是两种、三种或多种材料结构。此外，钻头34可以经制造具有与钻头的截面图相应的硬度梯度。
[0089]摩擦钻头接合工具30的表面行进速度的范围可以考虑为从每分钟0.1mm到每分钟10米。摩擦钻头接合工具30的转速可以在Irpm到10000rpm的范围内变化。
[0090]本发明的摩擦钻头接合工具30可以是复合材料工具，例如具有CBN肩部或者具有比所结合的材料更高或更低模数的不同材料的工具。
[0091]所结合的材料的硬度可以考虑为包含洛氏硬度(Rockwell Scale)A级、B级和C级的所有材料。
[0092]本发明的钻头34上的切削边缘可以具有任何合适的切削几何结构。因此，在钻头34上可以包含能够切削、切削和加热、以及意图实现结合的加热的任何特征。钻头34也可以是螺纹的。因此，钻头可以不具有切削几何结构。可替代的实施例使用钻头34的加热以使在其它工件材料中或穿过其它工件材料能创建孔或开口。
[0093]本发明能够在多个平面上扩散结合，包含轴向的面以及所创建的孔侧的面。
[0094]应理解，上述布置仅仅是本发明的原理的应用的例示说明。所属领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以设计多种修改以及可替代的布置。所附权利要求旨在涵盖此类修改以及布置。
【权利要求】
1.一种使用安置在摩擦钻头接合工具中的至少部分可消耗的钻头将至少两个工件扩散结合在一起的方法，所述方法包括: 1)重叠至少两个工件； 2)提供具有至少部分可消耗的钻头的摩擦钻头接合工具，其中所述至少部分可消耗的钻头包含能够以不垂直于所述工件的表面但是适于切入所述至少两个工件中的至少第一工件的角度切入所述至少两个工件的切削特征件； 3)旋转所述工具以使所述切削特征件能切入所述至少两个工件至所需的深度，并且使所述至少部分可消耗的钻头以及所述至少两个工件中的至少一个能够塑化；以及 4)在某速度下旋转所述摩擦钻头接合工具，以使所述至少部分可消耗的钻头与所述至少两个工件中的至少一个能够扩散结合。
2.根据权利要求1所述的方法，其中切入所述第一工件的所述步骤进一步包括切入第二工件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中重叠所述至少两个工件的所述步骤进一步包括重叠多个工件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括构造所述至少部分可消耗的钻头，使得所述钻头具有能够被折断的具有更小直径的部分，以由此在所述至少两个工件中留下一部分所述至少部分可消耗的钻头。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括: 1)沿着所述摩擦钻头接合工具的中心轴形成孔；以及 2)在所述孔内安置所述至少部分可消耗的钻头。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括形成所述至少部分可消耗的钻头，使得所述钻头的形状防止所述至少部分可消耗的钻头在所述摩擦钻头接合工具旋转时旋转。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括提供夹钳机构以防止所述至少部分可消耗的钻头在所述摩擦钻头接合工具旋转时旋转。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在第一速度下旋转所述摩擦钻头接合工具以执行对所述至少两个工件的切削，在比所述第一速度更快的第二速度下旋转所述摩擦钻头接合工具以执行摩擦钻头接合，并且在比所述第一速度更慢或者停止的第三速度下旋转所述摩擦钻头接合工具以由此使所述至少部分可消耗的钻头与所述至少两个工件中的至少一个之间能够扩散结合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在不停止旋转所述摩擦钻头接合工具的旋转的情况下终止旋转所述至少部分可消耗的钻头。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括使用离合器从所述至少部分可消耗的钻头上分离所述摩擦钻头接合工具。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括从由以下组成的方法的群组中选择使所述摩擦钻头接合工具的旋转减速的方法:使用单步停止周期、使用多步停止周期、使用可变RPM分布停止周期、以及使用停止周期中的停留时间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括通过从由以下组成的自动化加工工艺的群组中选择加工工艺来使执行摩擦钻头接合的加工自动化:在其末端上具有所述摩擦钻头接合工具的机械臂系统，用于移动其中所述摩擦钻头接合工具将被使用的所述臂的移动系统，用于为所述摩擦钻头接合工具供应钻头的馈送系统，以及位置追踪系统。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括执行金属缝合以修复或焊接传统上不可焊的材料。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括执行固态塞焊。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括提供可以由单个操作员提起并且操作的手持式摩擦钻头接合工具。
16.一种摩擦钻头接合工具，所述工具包括: 柄部，所述柄部具有非可消耗的肩部； 可消耗的钻头，所述可消耗的钻头安置在沿着所述非可消耗的肩部的中心轴的孔内，其中所述可消耗的钻头在被固态结合到工件之后从所述摩擦钻头接合工具上分离； 其中在所述柄部旋转时防止所述可消耗的钻头在所述非可消耗的肩部中的所述孔内旋转；以及 其中所述可消耗的钻头在其工作端上包含能够以相对于所述工件的角度操作所述摩擦钻头接合工具的切削特征件。
17.根据权利要求16所述的摩擦钻头接合工具，其中所述可消耗的钻头进一步由适于与所述可消耗的钻头切削的工件材料扩散结合的材料组成。
18.根据权利要求16所述的摩擦钻头接合工具，其中所述摩擦钻头接合工具进一步包括: 经安置完全穿过所述柄部到所述非可消耗的肩部的孔；以及 安置在所述柄部的与所述非可消耗的肩部相对的一端处的活塞机构，其中所述活塞机构推进所述可消耗的钻头朝向所述摩擦钻头接合工具的所述工作端。
19.根据权利要求16所述的摩擦钻头接合工具，其中所述摩擦钻头接合工具进一步包括所形成的具有非圆形截面的所述可消耗的钻头，以由此防止所述可消耗的钻头在所述摩擦钻头接合工具旋转时旋转。
20.根据权利要求16所述的摩擦钻头接合工具，其中所述摩擦钻头接合工具进一步包括在所述摩擦钻头接合工具上的夹钳机构，以由此防止所述可消耗的钻头在所述摩擦钻头接合工具旋转时旋转。
21.根据权利要求16所述的摩擦钻头接合工具，其中所述可消耗的钻头进一步由多个可消耗的区段组成，其中所述多个可消耗的区段通过能够被折断的更小直径的钻头部分隔开，以由此在所述工件中留下所述多个可消耗的区段中的一个区段。
【文档编号】B23K20/12GK104203480SQ201380012146
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月4日 优先权日:2012年3月2日
【发明者】P·T·希金斯, M·P·米莱斯, R·J·斯蒂尔, S·M·帕克 申请人:麦加斯特尔科技有限责任公司