專利名稱：摩擦攪拌方法和通過該方法接合的一對工件的制作方法
摩擦攪拌方法和通過該方法接合的一對工件
本發(fā)明涉及用于接合或處理低傳導率高溫金屬和金屬合金的摩擦 攪拌方法。
在本文中，我們將"高溫金屬和金屬合金"定義為熔化溫度高于
鋁的熔化溫度即高于700。C的金屬和金屬合金。我們將"低傳導率金 屬和金屬合金"定義為熱傳導率小于鋁的熱傳導率的金屬和金屬合金， 其熱傳導率一般小于250W/m K，優(yōu)選低于150 W/m K,最優(yōu)選低于 100W/m K。高溫低傳導率金屬和金屬合金具有高熔點和高強度，并且 通常包括鐵合金以及含一定量的鎳、鈷、鉻、鉬、鴒、鋁、鈦、鈮、 鉭、錸和鋯的材料。這些材料類型中的一些可被稱為超耐熱合金。它 們也包括鈦合金，其廣泛用于高性能航空航天應用和其他應用。
低傳導率高溫金屬及金屬合金傳統上通過熔合方法接合，但已經 認知到的是，使用摩擦攪拌焊接(FSW)對其進行接合是有利的。
摩擦攪拌焊接是一種如下方法，其中，使由比工件材料更硬的材
部分，同時引起探針和工件之間的相對循環(huán)運動(例如旋轉、軌道或 往復運動)，從而產生摩擦熱以使得該相對部分處于可塑狀態(tài)；可選 地引起工件和探針之間在接合區(qū)域的方向上的相對運動；移除探針； 并允許可塑部分將工件合并和接合在一起。在EP-A-0615480和WO 95/26254中描述了摩擦攪拌焊接的例子。
摩擦攪拌焊接的益處，尤其是相比于傳統熔焊技術的益處，已經 在現有技術中得到廣泛介紹。這些益處包括不需要消耗物或裝填物、 長焊縫中的變形小、準備工作很少、固相(無煙、氣孔或濺潑，熱輸 入較低，并且避免熔融焊接熔池的固化)、優(yōu)良的機械性能以及接合 的成形特性。
摩擦攪拌工具也可用于處理單個工件。在摩擦攪拌處理(FSP )中， 將通常用于FSW的工具移動通過單個工件的材料以引發(fā)該材料性質的 改變，而并不沿著接合線移動來構建悍縫。所述工具的熱機械再加工操作可導致在微觀結構、物理性質(塑性行為、強度等等)和化學性
質(抗腐蝕性等等)的特定局部變化。FSP也已經被用于合并和修復 鑄件和其他結構，從而有助于去除氣孔并改進例如汽缸蓋鑄件中的通 道/端口周圍的特性。在US 6712916B 、 EP-A-1160029 、 JP 2005-324240A、 US 2006-0032891A和US 6994916B中可發(fā)現FSP的例 子。
摩擦攪拌工具通常包括簡單的圓柱形或略微錐形的探針或"針狀 物(pin)",該探針或"針狀物，，從直徑較大的平坦形、半球形或錐 形的肩部突出。此類型的工具的典型例子描述于GB-A-2306366中。簡 單的針狀工具的許多變型在現有技術中是已知的。另 一種從現有技術 已知的常見類型的工具凈皮稱為"線軸工具(bobbin tool)"，如 EP-A-0615480中所述。這種類型的工具克服了對襯墊元件的需要，該 襯墊元件經常被需要用來對由工具在工件上的作用所產生的力進行反 作用。
已知工具的其他例子，包括帶有紋理表面、帶螺紋和凹槽的針狀 物的工具，包含可互換的針狀物和肩部以及才艮據應用包含不同材料組 合的工具。這些工具的示例可見于WO 95/26254、 WO 02/092273、 US 6277430B1、 WO 99/52669、 EP—A—1361014、 US 6676004B1以及i午多其 他文獻。
一般使用摩擦攪拌焊接接合的典型工件材料具有低的熔化溫度， 并且在本文中通常稱為低溫金屬或材料。這些材料中最普遍的可摩擦 攪拌焊接的材料為基于鋁、鎂、銅、鉛和其他類似材料的金屬。
在通過摩擦攪拌焊接對高溫材料進行接合方面，已經進行了大量 工作，取得了不同程度的成功。當對高溫材料進行摩擦攪拌焊接時存 在的一個主要問題是選擇正確的工具材料，傳統上是使用難熔金屬或 陶瓷材料。
WO 99/52669考慮將純鴒、鴒錸合金和碳化鎢用于鐵材料；將鈷 材料、陶瓷或合金陶瓷材料用于其他高溫應用。
WO 01/85385涉及使用工具對MMC、鐵合金、非鐵合金和超耐熱合 金進行摩擦攪拌焊接，在該工具中針狀物和肩部至少包括由超研磨材 料構成的涂層。這種材料通常為聚晶立方氮化硼(PCBN)。GB 2402905描述了一種由基于鴒的難熔材料制成的工具，可用于 焊接諸如鎳合金和鈦合金這樣的高強度材料。
在某些Ti等級的接合方面，使用標準幾何外形的W-Re工具已經 實現了合理的焊接質量，不過有報告稱，采用這種工具類型，出現了 在焊縫頂部和底部之間的熱不平衡、由于高的肩部速度而引起的與閃 弧(flashing )有關的條蟲狀氣孔缺陷和問題以及變形。("An overview of frict'ion stir welding Beta 21S Titanium (對摩擦 攪拌焊接Beta 21S鈥的概觀)，，，Loftus等人，5th FSW Sympos ium， Metz 2004。)。在該論文中還提出了克服此缺陷的方法，包括使用線軸工 具來平衡熱輸入。
US-A-2003/0201307描述了摩擦攪拌焊接工具的又一例子，其中， 探針在兩個肩部之間延伸，其中一個肩部隨著探針旋轉，而另一肩部 獨立于探針旋轉。這就允許通過肩部應用不同的表面加熱速度，這在
當使用現有技術中提到的工具來對高溫材料進行摩擦攪拌焊接和 處理時，顯現出各種問題，尤其是使工具材料退化一一這通常歸因于 在對這些高溫材料進行摩擦攪拌焊接和處理期間產生的高熱量和應 力。如在Loftus等人的論文中指出的，在控制高溫材料中的熱輸入時 也產生問題，不僅由于工具的過熱，還由于工件的過熱以及整個焊縫 輪廓上的熱不平衡，這可導致較差的接合性能。在某些高溫材料中，
由工具^部的相對較大的摩擦表面所提供的高熱輸入:盡管^工具冷
卻的嘗試在延長工具的壽命方面已經取得了成功，然而它們對接合特 性卻僅僅具有有限的影響。減小工具的肩部的直徑，可以減小熱輸入， 但還會導致材料合并不充分且導致產生大量閃光(Hash)。
根據本發(fā)明的第一方面， 一種摩擦攪拌方法包括使摩擦攪拌工具 的旋轉探針進入一個工件或一對工件之間的接合區(qū)域，所述工件或者 每個工件為低傳導率高熔點的金屬或金屬合金，其中所述探針從與所 述工件接觸的單個肩部延伸，并相對于所述肩部旋轉。
根據本發(fā)明的第二方面， 一種摩擦攪拌方法包括使摩擦攪拌工具的旋轉探針進入一個工件或一對工件之間的接合區(qū)域，所述工件或者 每個工件位于與所述工件的相對側接觸的第一和第二肩部之間，并相
對于這兩個肩部旋轉。
我們已經對高溫材料尤其是金屬的FSW進行了詳細研究，并且注 意到，結果表明最嚴重的問題是在這些高溫低傳導率材料中產生過量 的熱。由FSW工具產生的熱趨向于保持定位在焊接區(qū)域周圍，這可能 導致工件材料的過熱。
甚至減小肩部的直徑(以減小表面熱輸入)也并未克服表面過熱 的問題。然而，采用本發(fā)明，可以在保持足夠的混合和合并作用的同 時控制熱輸入。
因此，在本發(fā)明中，探針獨立于任一肩部旋轉。這是因為，為了 接合低傳導率高溫材料，極為有利的是，在表面加熱源和內部加熱源 之間不存在直接的依存關系，例如在使用具有任意固定探針/肩部方面 的摩擦攪拌焊接工具時存在的直接的依存關系。 一個肩部(或多個肩 部)與探針的完全旋轉分離允許將熱輸入獨立提供給材料和提供為穿 過材料。具體地，通過針狀物引入足夠的速度來混合材料，同時肩部 向材料表面提供足夠的合并，而不產生總體表面過熱。
分離的肩部，相對于工件通常是靜止的，但能夠相對于探針緩慢 旋轉，將極少的熱(如果有的話)添加到焊接表面，并因此避免在高 溫低傳導率材料的傳統FSW中所發(fā)生的表面過熱的問題。當設置單個 肩部并且該肩部緊靠工件的頂面就位時，旋轉的FSW工具通常僅包括 探針部件，不過可以使用階梯形探針結構。該旋轉探針產生FSW過程 所需要的熱，并且在高溫低傳導率材料中能夠形成質量良好的焊縫。
已知的是，提供了一種具有分離的探針和肩部的摩擦攪拌焊接工 具，但是從未認識到，這種工具用于焊接高溫材料尤其有利。
例如，JP 2004-358513A描述了 一種摩擦攪拌焊接工具，用于接 合具有較低壓碎強度(擠壓)和精細特征的材料。它使用受熱工具和 獨立肩部來減小針狀物/肩部的幾何依賴性，并因此減小在接合難弄的 幾何形狀時所需的針狀物尺寸和下壓力。它從未試圖解決通過摩擦攪 拌焊接對高溫材料進行焊接的問題。
US 6,811,632B描述了一種使用FSW接合熱塑性材料的方法和裝置。創(chuàng)造性方面包括使用包括分離的針狀物和靜止抑制表面的工具。 該發(fā)明試圖解決原本由于旋轉肩部的作用而會產生的熱塑性材料的材 料拋出問題。該發(fā)明特別用于接合熱塑性材料，而從未暗示能夠使用 具有類似特征的裝置接合金屬。該項專利暗示，適用于金屬的摩擦攪 拌焊接方法并不適用于塑料，反之亦然?；谒芰虾徒饘俚母静煌?br> 的性質，針對此陳述了許多原因。這包括如下事實在處理期間塑料 熔化而金屬并不熔化，金屬要求引入某個量的下壓力來幫助材料的合 并和垂直流動而塑料并不要求這樣。還特別指出，通過靜止表面引入 熱對塑料處理的成功來說是關鍵的。該專利完全針對塑料的接合，而 未提到使用該技術接合金屬。特別提出，需要來自抑制元件的抑制而 非壓力。在豎直方向上的壓力不同地影響材料，并為塑料帶來問題。 由于較之于金屬，高溫材料所固有的特性被從塑料進一步消除，因此 預期應該采用不同的途徑。
EP-A-1021270涉及一種使用FSW接合工件的裝置。創(chuàng)造性方面包 括使用可相互運動的針狀物和主體(根據典型的FSW工具，其最低部 為肩部)，從而允許針狀物和主體相對于彼此執(zhí)行不同運動形式。該 專利描述了完全靜止的主體的使用，同時因為缺乏由肩部區(qū)域產生的 摩擦熱，需要向接合區(qū)域供給附加的熱。該發(fā)明試圖解決工件厚度變 化和在接合期間供給額外材料的問題。它從未試圖解決通過摩擦攪拌 焊接來焊接高溫材料的問題，并且在使用靜止的肩部和接合高溫材料 之間未能建立明顯的聯系。由于高溫材料的特有屬性，本領域技術人 員會預期輸入更多的熱。
除了摩擦攪拌焊接(FSW)，本發(fā)明還可用于其他摩擦攪拌應用， 包括摩擦攪拌處理、摩擦攪拌點焊、摩擦攪拌開槽和使用高溫材料的 任何其他應用。然而，將主要參照FSW對本發(fā)明進行描述，盡管易于 理解的是，優(yōu)選特征也可應用于其他應用。
該方法也能夠用于接合非平面的接縫幾何形狀，例如管的內徑或 外徑、邊角或內圓角(fillet)、或甚至階梯形元件。在這些情況下， 例如呈非轉動式滑動件形式的肩部可被設計為遵循部件的形狀或將要 形成的焊縫的形狀。此外，它可用于接合兩個以上的工件。
為了進一步改進接合質量，可對肩部和探針中的一個或多個應用表面涂層或表面處理。這些涂層和處理可表現出低摩擦、抗磨損、耐 溫、抗擴散和低反應性以及固態(tài)潤滑的性質。處理的例子包括滲氮、 滲碳和氮碳共滲。涂層的例子包括諸如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅和硅
鋁氧氮聚合材料(sialon)之類的陶瓷；以及諸如鉬、鑄鐵和PCBN 之類的難熔金屬。
可在整個肩部上以及滑動件周圍采用惰性屏蔽氣體以防止氧化并 幫助冷卻。例子包括氬和氦。
可采用預加熱以在焊接之前對材料進行預軟化。 肩部可被冷卻(水、氣體、冷源)。
可采用后加熱/冷卻以控制在工具背面的工件材料所經歷的熱循環(huán)。
一種雙探針途徑可用于減小所產生的側向力并改進焊縫質量和提 高工具壽命。在這種情況下，可設置兩個旋轉探針，其延伸通過單個
肩部中的相應孔，這些探針或者與探針的運動方向一致或者稍微偏置。 這些探針可具有不同尺寸(長度和/或寬度)并可進行相反旋轉。
可將多個探針用于處理工件材料的不同區(qū)域。
在焊接運行期間，探針元件可逐漸收回以使焊縫漸隱，或者能夠 伸出/收回以處理部件的較厚/較薄部分，同時肩部保持與工件接觸。
所述或每個肩部通常將是靜止的滑動件，但能夠在接合操作期間 緩慢轉動或慢慢移來移去。通常，探針旋轉得是肩部的至少io倍快， 肩部通常僅以50 rpm的速度i走轉。
優(yōu)選用不止一種材料或不止一個部件來構建所述或每個肩部，并 使用高溫或特別涂覆的插入件用于包含接近于旋轉探針的材料。例如， 肩部可主要由基于鎳的合金制成，但具有在探針所延伸穿過的孔周圍 限定的插入件，所述插入件由諸如上述的陶瓷或難熔金屬制成。
探針可通過整體軸承與所述或每個肩部連接，或者在它們之間可 設置小縫隙。
可使用雙肩途徑，其中，除了在頂面上設置一個肩部外，可以設
將一個肩部固定在工件下面。因此，第二肩部可為靜止的或者相對于 探針緩慢旋轉。使用中，肩部將通常承受有效施加栽荷，通常為500-5000kg，經 常約3000kg。
可以接合或處理許多不同的材料類型和組合，包括
Ti及其合金
Fe、鋼及其其他合金
Ni及其合金
V及其合金
Cr及其合金
Mn及其合金
Co及其合金
Zr及其合金
Pd及其合金
Hf及其合金
Pt及其合金
可以接合相異的材料組合。由于由探針單獨提供的加熱和混合區(qū) 域非常窄，所以接合區(qū)域的位置可以是這樣的，即，使得相對于一材 料優(yōu)先混合和加熱另 一材料。在接合性能通常受金屬間化合物的形成 限制的情況下，這可能尤為有利。減少的表面加熱有可能限制金屬間 化合物的形成，并使得能夠接合許多原先不可焊接的相異的材料組合。 實際上，除高溫低傳導率金屬和金屬合金之外，還有許多相異材料可 使用本說明書中描述的摩擦攪拌工具來接合。
除了便于成功接合高溫材料外，當進行接合時上述方法也在平衡 輸入到接合區(qū)域中的熱方面提供了優(yōu)點?？梢哉{整所述方法以提供特 定的接合性質和微觀結構。使用滑動件作出的接縫的表面拋光通常在 質量上遠遠優(yōu)越于使用基于摩擦攪拌和熔融的其他技術得到的接縫。
上述途徑的其他優(yōu)點包括
能夠在穩(wěn)定的FSW處理中在高溫低傳導率材料中產生質量良好的焊縫。
與傳統的FSW (其中焊接過熱為限制因素)相比，提高了在高溫 低傳導率材料中的焊接速度。
與傳統的FSW相比，焊縫根部質量得到改進，如僅僅采用旋轉探針，更加均勻地平衡了整個焊縫上的熱輸入。
由于在焊縫中熱的分布更加平衡，所以可能減少FSW工具磨損并 提高工具壽命。
將旋轉探針用作分離的部分減小了 FSW工具所需的高溫材料的 量，這允許使用先進的/更高質量的工具材料，從而提供改進的工具性 能。
非旋轉滑動肩部的使用和降低的表面熱輸入減小了焊縫污染的可 能性，特別是在接合諸如鈦之類的材料時，因為肩部將外部環(huán)境與接 合或處理區(qū)域隔開了。
現在將參照附圖描述根據本發(fā)明的方法和用于執(zhí)行方法的裝置的 一些實施例，其中


圖1和2為圖示使用傳統FSW方法得到的高溫材料之間的接縫外 觀的照片；
圖3是用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的FSW裝置的第一實施例的示 意圖4是貫穿用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的裝置的第二實施例的截 面圖5是使用根據本發(fā)明的方法形成的對接焊縫的照片； 圖6是貫穿如圖5所示的焊縫截取的橫截面。
圖1和2圖示了傳統FSW方法用于焊接高溫材料所存在的問題， 在這種情況下該高溫材料為由Ti-6AI-4V制成的兩個工件。如在這兩 幅圖中可看見的，接縫表面出現總體過熱，導致材料的過度軟化、材 料密封度不足以及表面拋光較差。在圖1中，25mm直徑的肩部與15mm 直徑的探針一起使用，探針以200rpm的速度旋轉且以100mm/min的速 度平移。在圖2中，15mm直徑的肩部與6mm直徑的探4十或4十狀物一起 使用，該探針或針狀物以250rpm的速度旋轉并且以60 - 90mm/min的 速度平移。
圖3圖示了用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的簡單裝置的示例。在這 種情況下，細長探針1在所施加載荷的作用下從機器心軸2延伸進入 對接在一起的一對高溫金屬工件8、 9之間的接合區(qū)域7。機器心軸軸頸安裝在主工具止端軸承3中，該止端軸承3又由非旋轉滑動件4所 支撐，該滑動件4限定也處于載荷作用下的肩部元件。探針可由諸如 鵠或鉬之類的難熔合金制成，或者可為基于陶瓷的，由氧化鋁、氧化 鋯之類制成。滑動件4典型地由基于鎳的合金或由其他高溫材料制成， 并具有如前所述的位于探針1附近的插入件。
在使用中，機器心軸2，并且因此探針l，以高速旋轉，該速度例 如為10-1000rpm,典型地為大約500rpm，并且將探針插在工件8、 9 之間。然后，接觸工件8、 9的上表面的探針和滑動件4在所施加載荷 的作用下沿箭頭10的方向移動，從而沿著接合區(qū)域5將上述工件摩擦 攪拌焊接起來。不旋轉的滑動件4所穿過的區(qū)域圖示于6處。
在圖3中大體上示出的裝置在圖4中以更為實際的實施方案示出。 圖4所圖示的FSW工具包括主殼體20，其通過心軸軸承11可旋轉地 支撐機器心軸13，該機器心軸13的上端將連接到用于旋轉地驅動該 機器心軸的驅動馬達，并且該才幾器心軸13的下端由固定到殼體20的 主工具止端軸承14所支撐。
在夾持器中的FSW探針17連接到主心軸13的端部，并且伸出穿 過在殼體20的下部15中形成的開口 21。
殼體20的下部15支撐非旋轉滑動元件18，該滑動元件相當于傳 統FSW工具的肩部，該滑動元件具有插入到開口 21中的中心高溫插塞 22并限定探針17所延伸穿過的孔。
惰性屏蔽氣體可通過入口孔12供給，并通過出口孔16排出。
圖5是使用如圖4所示的裝置在Ti-6AI-4V中形成的對接焊縫的 照片。在這種情況下，探針具有8mm直徑，以300rpm的速度旋轉并以 80mm/min的速度平移。應該注意到，并沒有進行焊接后的拋光，但是 可以看出，已經得到了改進很多的接縫。圖6以橫截面形式示出了同 一接縫。
權利要求
1. 一種摩擦攪拌方法，包括使摩擦攪拌工具的旋轉探針進入一個工件或一對工件之間的接合區(qū)域，所述工件或者每個工件為低傳導率高熔點金屬或金屬合金，其中所述探針從與所述工件接觸的單個肩部延伸，并相對于所述肩部旋轉。
2. 根據權利要求1所述的方法，用于接合一對工件，進一步包括 將所述工具沿著所述工件之間的接合線移動。
3. 根據權利要求1所述的方法，用于處理一個工件，進一步包括 將所述工具沿著沿所述工件延伸的線移動。
4. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中，所述肩部不相對 于所述工件旋轉。
5. 根據從屬于權利要求2或3時的權利要求4所述的方法，其中 所述肩部限定一滑動件。
6. 根據權利要求1-3中任一項權利要求所述的方法，其中所述肩部相對于所述探針緩慢旋轉。
7. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述肩部或每個肩部被成形為與其所緊靠的工件的一個或多個表面一致。
8. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述探針和所述肩 部中的一個或兩者設置有表面涂層或表面處理，該表面涂層或表面處 理表現出低摩擦、抗磨損、耐溫、抗擴散、低反應性和固態(tài)潤滑中的 一個或多個。
9. 根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括將屏蔽氣體 供給到所述肩部和所述工件之間的區(qū)域。
10. 根據前述任一項權利要求所述的方法，進一步包括將冷卻劑和 /或潤滑劑供給到所述肩部和所述工件之間的區(qū)域。
11. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述肩部由一個以 上的部件構成，較接近所述探針的部件具有高熔點。
12. —種摩擦攪拌方法，包括使摩擦攪拌工具的旋轉探針進入一個 工件或一對工件之間的接合區(qū)域，所述工件或每個工件為低傳導率高 熔點金屬或金屬合金，其中所述探針在與所述工件的相對側接觸的第 一和第二肩部之間延伸，并相對于這兩個肩部旋轉。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述肩部中的一個或兩個不相對于所述工件旋轉，或者相對于所述探針緩慢旋轉。
14. 根據前述任一項權利要求所述的方法，其中所述工件或每個工 件選自如下組，該組包括Ti及其合金Fe、鋼及其其他合金Ni及其合金V及其合金Cr及其合金Mn及其合金Co及其合金Zr及其合金Pd及其合金Hf及其合金Pt及其合金
15. 根據前述任一項權利要求所述的方法，用于接合一對工件，其 中所述工件由不同材料制成。
16. 根據至少權利要求2或3所述的方法，其中隨著所述工具接近 所述線的末端，所述探針在旋轉的同時被收回，同時所述肩部保持與 所述工件接觸。
17. 通過根據前述任一項權利要求所述的方法接合的一對由低傳 導率高熔點金屬或金屬合金制成的工件。
全文摘要
一種摩擦攪拌方法包括使摩擦攪拌工具的旋轉探針(1)進入一個工件或一對工件(89)之間的接縫，所述或每個工件為低傳導率高熔點金屬或金屬合金。探針(1)從與工件接觸的一個肩部(4)延伸或者在與工件接觸的多個肩部之間延伸，并相對于所述或每個肩部旋轉。
文檔編號B23K20/12GK101443153SQ200780017639
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權日2006年5月15日
發(fā)明者A·C·阿迪森, M·J·拉塞爾, N·L·霍拉克斯 申請人:焊接研究院