專利名稱：具有剪切位移步驟的感應(yīng)焊縫成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造金屬焊件的方法。本發(fā)明尤其涉及一種通過將剪應(yīng)變引入鄰接接觸表面的材料中而引起結(jié)合來快速連接金屬工件的方法，金屬工件具有局部加熱的配合面，其在非氧化或非鈍化的環(huán)境中接觸。
背景技術(shù)：
連接多個管子部分在用于生產(chǎn)石油和其它儲層流體的井和管道的建設(shè)中是主要任務(wù)。制造成本和質(zhì)量控制以及所產(chǎn)生的連接的技術(shù)屬性導(dǎo)致總是存在追求更為有效且通用的連接的動機。環(huán)境要求進一步提高了這些需求，因為環(huán)境要求中的大多數(shù)屬線性體系，其很少有余量或沒有余量減輕即便是單次連接失敗的后果。
就這樣的管來說，最常用的連接方法是用于管道的電弧焊接和用于套管(casing)或完井的螺紋連接。這兩者都屬“單點(single point)”制造工藝。在電弧焊接中，電極材料漸增地沉積，螺紋接頭通過在加工期間漸增地去除材料而成形。這樣的單點工藝需要更詳細(xì)的檢查，且要求制造時間比“球形”連接方法如摩擦焊還長。此外，最近對于使用可膨脹管來完井的研究著重于更易通過焊接而不是螺紋連接來處理套管。
這些和其它長期意識到的工業(yè)要求由此激勵著本發(fā)明人尋求發(fā)現(xiàn)更為可靠、高質(zhì)量且快速的焊接結(jié)構(gòu)。
同樣的目的也帶動了其它焊接方法的發(fā)展，比如WO03/055635A1中Alford等人的“Method for Interconnecting Tubulars by Forge Welding”和相關(guān)的US4669650中Moe的“Method for Joining Tubular Parts of Metal byForge/Diffusion Welding”。這些方法設(shè)法延申固態(tài)鍛焊和擴散焊原理來實現(xiàn)冶金結(jié)合，其中通過引入還原性沖洗流體，飛邊(flash)(即擠壓材料)要比鍛焊一般要求的少，時間也要比擴散焊一般要求的短。沖洗流體包括還原性氣體比如氫氣或一氧化碳，也許還混合有非活性氣體比如氮氣，且用于覆蓋工件的配合端，其被局部加熱，隨后一起受壓以形成鍛焊縫。還原性氣體結(jié)合其它手段(例如，低水蒸汽濃度)被理解成是為了最大程度地減少氧化物的存在，要不然會影響結(jié)合形成的速度和質(zhì)量。這些方法，雖然明顯地能快速產(chǎn)生高強度的固態(tài)焊縫，但卻要極其小心地維持用于在工件端部均保持熱的短時間(幾秒)內(nèi)促進結(jié)合的的冶金清潔度(degree of metallurgicalcleanliness)，且要求沒有過多飛邊。
擴散結(jié)合連接(也可稱作擴散焊)一般是在低于需產(chǎn)生宏觀形變(即，塑性流動)的應(yīng)力下進行的，對于包括碳鋼的大多數(shù)材料來說，需要基本上無氧化物的接合面。結(jié)合形成是在高溫(一般大于熔解溫度的一半)下耗時(按小時或分鐘算，而不是秒)進行的。相比之下，比如通常用于產(chǎn)生ERW(電阻焊)管狀產(chǎn)品的傳統(tǒng)鍛焊無需形成結(jié)合的相同清潔度或時間，但這些優(yōu)點是在以需要會產(chǎn)生鐓粗部或飛邊的相當(dāng)大的塑性流動為代價而換來的。在一般處于再結(jié)晶范圍內(nèi)的鍛焊溫度，該塑性流動降低對氧化物的存在的結(jié)合敏感性，因為除了將一部分?jǐn)D壓到通常必須去掉的飛邊中以外，金屬晶體的相關(guān)的大塑性變形促進了氧化物的吸收和分裂。
從上下文中可看出，顯然，由Alford等人和Moe教導(dǎo)的焊接方法雖然證實了快速的“擴散優(yōu)質(zhì)”焊縫可通過冶金方面來實現(xiàn)，但卻相對較脆。通過提供超凈的接合面，它們僅能具備飛邊尺寸要比典型鍛焊要求的小的優(yōu)點，而通過引入相當(dāng)大的宏觀塑性變形即飛邊尺寸，它們也僅具備結(jié)合時間較短(與一般擴散焊的要求相比)的優(yōu)點。
另一種試圖滿足該相同生產(chǎn)要求的固態(tài)焊接方法是披露在Lingnau的發(fā)明名稱為“Improved Method of Solid State Welding and Welded Parts”的專利申請PCT/US99/25600中的“快速摩擦焊方法”。該參考文獻披露了一種改進的摩擦焊方法，其中，通過感應(yīng)預(yù)加熱(在非氧化性環(huán)境中)提供用來將工件加熱到熱加工溫度的大部分能量，而不僅僅依靠傳統(tǒng)摩擦焊中的動能。正如Lingnau所述，該方法享有超越了傳統(tǒng)摩擦焊的一些優(yōu)點，其中的一些主要優(yōu)點如下無需大動能儲存裝置比如飛輪或大功率驅(qū)動裝置，由此機械設(shè)備輕便且成本低；焊縫可以較低的線速度乃至旋轉(zhuǎn)頻率形成，所述旋轉(zhuǎn)頻率通常是個實際的障礙，尤其是在連接長管子時；飛邊較少較薄，也就減少了材料的浪費，且在一些應(yīng)用場合中，飛邊可足夠小到留在原位，從而除去了去掉飛邊所需的制造步驟。
即便Lingnau的方法僅需要傳統(tǒng)摩擦焊的一小部分動能(根據(jù)Lingnau的權(quán)利要求1，“約等于10％”)，但是工件之間的相對速度必須是“約每秒四英尺的初始圓周速度[1.2m/s]”(頁8，行18-19)，或是“頂鍛速度[對于鋼，約200ft/min，或1.026m/s]，其要比鋼的正常最小摩擦焊線速度500-3000ft/min[2.54-15.24m/sec]小得多”(頁10，行9-11)。因此，仍然希望有相當(dāng)大的旋轉(zhuǎn)或相對位移。例如，在提到連接直徑為4.5英寸[114.3mm]的管子時，Lingnau給出了這樣的啟示，即“一旦到了熱加工溫度，便在頂鍛壓力下一同壓兩工件，使得旋轉(zhuǎn)的工件在幾轉(zhuǎn)內(nèi)幾乎立刻減速”。另外，所提的旋轉(zhuǎn)是接觸之前所要求的。尤其是在連接長管狀的工件時，該總的旋轉(zhuǎn)或“快旋(spin)”量仍會給許多應(yīng)用帶來額外的復(fù)雜性和技術(shù)局限性，例如管道接頭方面。
同樣，雖然較之傳統(tǒng)的摩擦焊減少了在生成焊縫時產(chǎn)生的飛邊的大小，但該方法保留了作為摩擦焊工藝必要部分的頂鍛力、單向壓縮力的思想。顯然，接合面上的熱材料由此受到高的軸向應(yīng)力，同時承受由于一般通過旋轉(zhuǎn)施加的相對橫向運動而產(chǎn)生的剪切。該應(yīng)力狀態(tài)必然在頂鍛過程中擠出作為飛邊的大量熱材料。
和其它摩擦焊一樣，該方法并不明確地控制因剪切引起的熱加工量。根據(jù)公認(rèn)的理解，一般在鋼摩擦焊期間施加的大量剪切有時會在熔合線熔合線或其附近產(chǎn)生長條的低強度非金屬夾雜物，比如硫化錳(MnS)。這樣的夾雜物會加速裂紋的產(chǎn)生，從而減小了焊縫強度、韌性和抗疲勞性。
這種改進的摩擦焊方法雖然避免了由Alford等人和Moe教導(dǎo)的“改進的擴散焊縫”的脆性，但卻保留了摩擦焊中的大部分復(fù)雜或笨拙的操作，其與連續(xù)的初始旋轉(zhuǎn)或運動再加上大量的動能輸入的需要有關(guān)。具體地說，有利的是，為實現(xiàn)焊接，工件之間的相對運動能以低線速度和低相對橫向位移來完成，甚至還消除了一起“快旋”的需要，同時有助于防止過量的熱加工和相關(guān)的有害冶金作用，此外，還減小了飛邊量或其完全消除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已發(fā)明了一種用于結(jié)合金屬部件的剪切輔助固態(tài)焊接方法。該焊接方法利用了熱接觸部分的結(jié)合特性，優(yōu)選是在基本惰性的環(huán)境中，從而提供了一種新型固態(tài)焊接方法，其將剪應(yīng)變引入與接觸面或接合面緊鄰的熱材料層中以快速形成擴散般結(jié)合。所施加的剪應(yīng)變采用有點類似于在液體中攪拌對擴散速度的影響的方式，相對于靜應(yīng)變條件下的一般擴散結(jié)合，大大加快了形成結(jié)合的速度。與一般的鍛焊或電阻對接焊相似，如果材料處于熱加工溫度范圍的話，該結(jié)合形成得最為容易。(在此通常這樣理解熱加工溫度，即，指的是處在低于熔點的范圍內(nèi)但足夠高的溫度，不會在塑性變形中出現(xiàn)應(yīng)變硬化，該特征溫度的下限通常稱作再結(jié)晶溫度。)與這些現(xiàn)有的焊接方法相似，本發(fā)明由此提供了一種不用熔化而在高溫結(jié)合金屬部件的配合面的方法。然而，與擴散焊不同，本發(fā)明的結(jié)合可在幾秒甚或一秒鐘的若干分之幾內(nèi)形成。與摩擦焊不同的是，結(jié)合無需表面之間相當(dāng)大(或任何)的相對滑動來消耗動能，從而最大程度地減小或消除表面之間初始相對速度的需要，需要的總位移距離甚至大大少于那些一般利用感應(yīng)輔助摩擦焊的結(jié)合。與傳統(tǒng)的鍛焊不同，在本發(fā)明方法中施加的應(yīng)變不會產(chǎn)生大的鐓粗部或飛邊。此外，本發(fā)明的方法利于幾乎完全地控制飛邊尺寸，不受鍛焊或摩擦焊的“頂鍛力”需求的影響。該剪切輔助固態(tài)焊接方法適于連接多部分管子，比如會用在管道、井眼的鉆探和加套操作，以及其它應(yīng)用場合，其中，焊接時間短、具有最小橫向或剪切移動的滑動最小、飛邊尺寸受控以及微觀結(jié)構(gòu)受干擾最小的任何或所有其優(yōu)點都有益。
因而，根據(jù)本發(fā)明的寬泛方面，提供了一種連接金屬工件的固態(tài)焊接方法，金屬工件具有相對的、通常相配合的表面。在一個實施例中，本發(fā)明的方法包括的步驟有優(yōu)選在非鈍化(例如，非氧化)的環(huán)境中，加熱配合面至金屬熱加工范圍內(nèi)的溫度，加熱和配合面幾何結(jié)構(gòu)適于形成與每個表面鄰接的“熱層”(即，材料在熱加工范圍內(nèi)的厚度受控)，一方或雙方的所述熱層將在剪切應(yīng)力作用到表面上時優(yōu)先使剪應(yīng)變局部化(localization)，且這樣控制熱層厚度，即，通過垂直于配合面調(diào)節(jié)溫度梯度和/或選擇性地調(diào)節(jié)配合面的面積；在仍保持于其熱加工溫度的同時使表面相接觸，并施加足以引發(fā)對界面區(qū)域上的橫向或剪切載荷的摩擦阻力的壓縮應(yīng)力，至少等于材料在其熱加工溫度上的剪切強度；相對于另一個施加一個工件的橫向位移，在所述接觸條件下的橫向位移(即，剪切位移)將塑性剪應(yīng)變引入構(gòu)成熱層的材料中，該剪應(yīng)變逐漸使界面區(qū)域結(jié)合或粘聚(cohesion)，其中引進的塑性剪應(yīng)變的大小和速度被控制成仍處在受結(jié)合材料的性能支配的限度和同時發(fā)生的熱狀態(tài)內(nèi)，該限度通常被理解成包括結(jié)合活化剪應(yīng)變(bond activation shear strain)其是足以獲得界面區(qū)域的完全結(jié)合或粘聚的最小剪應(yīng)變量(在此，把將通過剪切位移至少施加所述結(jié)合活化剪應(yīng)變量的相應(yīng)的處理階段稱作結(jié)合活化階段(bond activationstage))最小剪應(yīng)變速度確保結(jié)合活化階段是在界定界面區(qū)域的材料冷卻到低于熱加工溫度之前完成的平均最小剪應(yīng)變速度，最大剪應(yīng)變速度超出該應(yīng)變速度，則絕熱剪切帶或其它不穩(wěn)定機制可能出現(xiàn)；其中，所述剪切位移的模式可選擇性地改變(例如，軌道、擺動、旋轉(zhuǎn)或反向)，引入所述剪切位移的同時，控制部件的相對軸向位置，以便不僅實現(xiàn)所述的初始壓縮應(yīng)力，而且在結(jié)合活化階段在接觸面上保持足夠大的軸向壓縮應(yīng)力來防止滑移并促進結(jié)合，可選擇地，隨后在現(xiàn)時結(jié)合的熱層中施加附加的軸向應(yīng)變來滿足期望的最終飛邊體積限度；該軸向應(yīng)變甚至還可相反(即拉伸)，其中所述軸向應(yīng)變可與附加的剪切應(yīng)變相配合地施加，以相應(yīng)地減少受相關(guān)聯(lián)的金屬流動特性支配的軸向應(yīng)力。
相對配合面的加熱可通過各種裝置實現(xiàn)，包括電阻和高頻率感應(yīng)加熱器。加熱可在表面接觸或分離時實現(xiàn)。
電阻加熱可采取多種方式構(gòu)造。該加熱方法通常用于稱作ERW(電阻焊)管的管子的縫焊。不過，它可被構(gòu)造成還加熱通常軸對稱的配合面，例如美國專利4736084和5721413中示出了采用電阻(接觸電極)來加熱緊密靠近的兩管子端部的方法。
感應(yīng)加熱具備這樣的優(yōu)點，即，無需引起電流在工件中流動的接觸，不會產(chǎn)生電阻功率損耗和相關(guān)的加熱。在美國專利4669650中，采用了一種方法，其通常用于通過以緊靠工件表面的方式同軸布置外感應(yīng)線圈來感應(yīng)加熱管狀或類似的軸對稱的工件，以局部地加熱界定相接觸的兩工件的配合面的材料。正如美國專利4947462所述，可采用在接觸區(qū)域中進一步集中磁場的裝置，其中感應(yīng)線圈被封閉在一個鐵磁性覆蓋物中。在利于加熱接觸表面的同時，感應(yīng)線圈在配合面的近旁(即，位于平面中)的這樣的布置僅適于加熱相對壁薄的部分，因為溫度隨著與線圈的距離拉遠而降低，也即配合面平面中的溫度梯度降低。
在PCT/US99/25600中，在間隔更遠的配合面之間布置有單個同軸的感應(yīng)線圈，用于同時加熱兩配合面。這種構(gòu)造在需要工件在加熱之后移動較大的距離來實現(xiàn)接觸的同時，促進了每個分離的配合面平面中更為均勻的加熱，由此利于較厚部分的焊接。因此，應(yīng)用的要求將確定優(yōu)選哪種感應(yīng)加熱的方法。對于薄的部分來說，可優(yōu)選利用同軸布置的外線圈來加熱的方法，以避免在加熱之后(或許還在線圈移動之前)移動接觸工件所需的的另加的機械復(fù)雜性。
不過，如在PCT/US99/25600中所述的，采用單個感應(yīng)線圈來同時加熱兩個表面，雖然具備一定的結(jié)構(gòu)簡單性，但在實現(xiàn)兩表面的均勻加熱時卻明顯地存在實際困難。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，單個感應(yīng)線圈在加熱期間與兩個工件電磁耦合。由此優(yōu)選加熱最靠近的表面。為了防止一個表面過熱或另一個表面不夠熱，線圈因此必須精確地定位，以在線圈與每個單獨的工件表面之間平衡相關(guān)的間隙尺寸。
由于這些和其它的實際原因，本發(fā)明裝置的一個實施例(尤適于焊接較厚部分)采用了至少兩個感應(yīng)線圈。加熱期間，這些線圈相對放置，且與要焊接的配合面緊密靠近，從而根據(jù)本發(fā)明的啟示提供了快速到達焊接需要的熱加工溫度的手段。這樣的多個線圈避免了單個線圈的雙重耦合敏感性。該加熱方法容易垂直于要焊接的工件表面獨立控制溫度分布，且利于操縱該分布來形成垂直于表面的大的溫度梯度，從而提供了低強度材料的較薄的“熱層”，其形成鄰接每個表面的材料的受控厚度。該加熱方法還靈活地有利于另外進行的焊后熱處理，其是本領(lǐng)域眾所周知的，以另外控制焊縫性能。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的一樣，感應(yīng)加熱器電流的持續(xù)時間、振幅和頻率，聯(lián)合加熱線圈的幾何結(jié)構(gòu)、其與配合面的關(guān)系以及其它加熱器設(shè)計變量都可布置成隨時間來控制熱量輸入和深度。因此，本發(fā)明利用這種隨時間進行的熱量輸入的控制在來確保提供足夠厚的熱層，以保證界面溫度在接觸時或此后不久能足以實現(xiàn)正被焊接的材料的快速粘聚或結(jié)合，并控制焊接過程當(dāng)中及之后的冷卻速度。該冷卻速度的控制是與焊接步驟的時序相結(jié)合的，以確保所有或大部分剪切應(yīng)變是在材料處于熱加工溫度的時候施加的，還控制焊后冷卻速度而有利地影響焊縫的冶金和機械特性，如韌性。
與大多數(shù)擴散過程相似，界面區(qū)域上粘聚發(fā)展的速度隨仍處在熱加工溫度范圍內(nèi)的溫度增加。即便結(jié)合形成的速度因為塑性應(yīng)變的存在而大大加快，由此仍需要最小溫度來足夠快地激發(fā)結(jié)合，以在結(jié)合活化階段完全地結(jié)合界面區(qū)域，該溫度一般稍大于再結(jié)晶溫度(即，熱加工溫度范圍的下限)。對于被焊材料，該最小焊接溫度優(yōu)選地是通過焊接試驗來根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來建立，所述焊接試驗在逐漸大于再結(jié)晶溫度的溫度條件下進行，直到相對于指定的剪切應(yīng)變輸入而觀察到完全的結(jié)合出現(xiàn)。足以激發(fā)快速粘聚的溫度優(yōu)選地是在接觸時存在，以最大程度地減小所需的剪切位移。不過，顯然，通過塑性剪切應(yīng)變輸入的工作能量還會加熱材料，由此會用于提高接觸之后的溫度，且因此使粘聚速度更高。
在加熱方法需要表面在局部加熱期間分離之時，應(yīng)該理解到，在加熱之后，表面必須較快地接觸，以防止在施加剪切應(yīng)變時冷卻到低于熱加工溫度。正如要在下面進一步解釋的一樣，盡管剪切應(yīng)變不會引入轉(zhuǎn)變成熱量的另外的機械能并由此提高溫度，但較之傳導(dǎo)和對流冷卻的熱損失，為實現(xiàn)結(jié)合而施加的與剪切應(yīng)變相關(guān)的機械能加熱的量不必太大。這樣，與摩擦焊不同，本發(fā)明焊接方法的過程控制并不嚴(yán)格取決于作為熱源的該機械能。正如在下面能更為明顯地看出一樣，與摩擦焊中滑動摩擦的貢獻相比，因塑性剪切應(yīng)變輸入的能量損失引起的加熱形成的貢獻一般是小的甚至可以忽略。雖然如此，正如上面教導(dǎo)的那樣，這并不排除應(yīng)用剪切應(yīng)變引起的熱損失來提高溫度，由此促進本發(fā)明方法更為快速的結(jié)合。
為摩擦焊中摩擦概念所固有的是，施加機械能來在接觸的表面之間產(chǎn)生相對滑動以在界面區(qū)域中生熱。較之這樣的摩擦焊原理，本發(fā)明的一個新穎之處在于發(fā)現(xiàn)了在存在剪切應(yīng)變的情況下，可在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)固態(tài)結(jié)合，無需從結(jié)合部件之間的摩擦中輸入熱量。本發(fā)明方法一些實施例的實施可附帶地伴隨接觸時配合面之間的滑動，由此產(chǎn)生摩擦熱，但這樣的滑動和最終產(chǎn)生的摩擦熱在大小上并不明顯，無論怎樣，對于本發(fā)明也不是必要的。
為了最大程度地減少或消除滑動，必須將軸向壓縮應(yīng)力保持在這樣一個量，即等于或大于被接觸面的摩擦系數(shù)特性除的在開始引入剪切應(yīng)變期間在熱加工溫度所施加的剪切應(yīng)力的值。由于通過逐漸引入剪切應(yīng)變在界面區(qū)域中激發(fā)了結(jié)合或粘聚，因而防止滑移所需的軸向應(yīng)力相應(yīng)減小，這樣，一旦界面區(qū)域的粘聚大部分完成時，在隨后的剪切位移引發(fā)的塑性流動中，軸向應(yīng)力實際上可從壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉伸應(yīng)力，而不會產(chǎn)生氣穴或孔洞。這種特性容許與剪切應(yīng)變同時地引入拉伸軸向應(yīng)變，從而容易地有助于飛邊尺寸的控制，如下所述。
已發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)結(jié)合所需的最小剪切應(yīng)變量和速度的限度取決于要結(jié)合的材料的性質(zhì)。這樣，為了在指定組合的接觸材料之間實現(xiàn)結(jié)合，在此稱作結(jié)合活化剪切應(yīng)變的最小剪切應(yīng)變量必須要在材料處于熱加工溫度范圍內(nèi)達到。就這樣的材料組合而言，按照經(jīng)驗，容易根據(jù)剪切位移距離配合上述的所需溫度狀況來確定結(jié)合活化剪切應(yīng)變。由此看出，兩材料之間應(yīng)變的分布不必獨立確定。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，結(jié)合區(qū)域中塑性剪切應(yīng)變的量一般是與用施加的橫向位移量除的熱層總厚的值成比例的。由此通過熱層厚度控制產(chǎn)生最小剪切應(yīng)變量所需的橫向位移量。同樣明顯的是，為使塑性剪切應(yīng)變在該區(qū)域中局部化，工件相對于與配合面緊鄰的而非別處的剪切載荷必須是最弱。正如所述的一樣，因此提供了兩個裝置來在配合面局部弱化工件，由此控制剪切應(yīng)變的局部化，從而限定熱層厚度，因而要么材料屈服強度可通過局部加熱局部地減小，要么截面積在緊鄰配合面或熔合線的工件區(qū)域中減小。這些裝置可單獨或組合使用，依加熱方法和應(yīng)用需求而定。
例如，參照已經(jīng)描述的用于焊接管狀工件配合端的感應(yīng)加熱方法，利用感應(yīng)線圈對管狀端面直接快速加熱容許通過垂直于加熱表面施加高溫度梯度來控制熱層厚度。或者，在通過挨著配合管狀端面布置線圈來進行感應(yīng)加熱時，不易實現(xiàn)垂直于配合面的高溫度梯度。對于該加熱結(jié)構(gòu)而言，可通過在配合的工件端沿短間距減小壁厚，實現(xiàn)應(yīng)變局部化層段長度乃至熱層厚度的控制。
最小剪切應(yīng)變速度是受兩個因素支配的。首先，剪切應(yīng)變必須足夠快地引入來防止冷卻到低于熱加工溫度，直到應(yīng)變輸入基本上完成之后，因此所需的最小剪切應(yīng)變量(結(jié)合活化剪切應(yīng)變)必須在材料仍處于其熱加工溫度時實現(xiàn)。其次，在需要足以防止被連接的部分之間發(fā)生滑移的軸向壓縮應(yīng)力的初始結(jié)合活化階段中，擠出飛邊的大小取決于受限熱層中粘彈性的塑性材料性質(zhì)。特別是因為這些條件下的流動特性上的粘滯效應(yīng)，飛邊量對于更高的應(yīng)變速度(即，在更短的時間內(nèi)軸向載荷存在而達到所需結(jié)合活化剪切應(yīng)變)成為更小。因此，可將剪切應(yīng)變速度用作另一種實現(xiàn)飛邊尺寸控制的手段。
雖然已驗證剪切應(yīng)變量沒有特定的最大邊界，但通常來說，所有或大部分剪切應(yīng)變必須在低于熱加工溫度冷卻之前施加，以避免過度加工硬化或斷裂的風(fēng)險。塑性剪切應(yīng)變可施加在任何方向上，包括完全反向。該特性有利于這樣的應(yīng)用場合，其希望配合部件的初始和最終相對橫向位置相同，比如用于管道接頭的。
盡管剪切應(yīng)變量并未表現(xiàn)出具有上限，但已發(fā)現(xiàn)一些材料具有剪切應(yīng)變速度的上限，且其通常歸因于在高塑性流動速度條件下發(fā)生的絕熱帶軟化或類似的材料不穩(wěn)定性。將能理解的是，除了隨時間控制溫度外，在與剪切應(yīng)變和速度相關(guān)的滑動距離方面，也必須解決熱層厚度；也就是說，通常優(yōu)選熱層較薄，因為這樣減小了實現(xiàn)充分應(yīng)變所需的滑動距離。不過，熱層厚度直接影響存儲熱能的材料體積。該熱能需要防止在剪切應(yīng)變完全施加之前過度冷卻；因此，該要求實際上給最小熱層厚度加了一個下限。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解的那樣，出于描述飛邊尺寸的目的，承受塑性變形的結(jié)合區(qū)內(nèi)的材料體積被認(rèn)為是固定的，因為金屬能有效地抗壓縮(塑性流動期間泊松比～0.5)。這意味著，負(fù)軸向應(yīng)變或壓縮軸向應(yīng)變擠出材料，從而增大飛邊尺寸，而正軸向應(yīng)變或拉伸軸向應(yīng)變收縮材料，導(dǎo)致飛邊尺寸減小。顯然，在結(jié)合開始進行時，要提供足以防止在剪切位移初期分配期間滑動的需求則必然導(dǎo)致飛邊尺寸增大。
不過，本發(fā)明的另一個目的在于有利地利用該簡單關(guān)系的其它方面，其中，在一個實施例中，提供了將載荷和位移控制相組合的手段來處理與剪切位移相關(guān)的工件之間的相對軸向位移，而不是僅僅提供一般在摩擦焊中采用的單向壓縮載荷控制。有了此種控制軸向應(yīng)變的手段，在剪切位移的早期結(jié)合形成間隔之后，在該實施例中，可通過將工件拉開即在初始結(jié)合之后施加拉伸軸向應(yīng)變同時繼續(xù)剪切位移來減小飛邊尺寸。該拉伸軸向應(yīng)變速度可大大小于所施加的剪切應(yīng)變；因此，軸向應(yīng)力狀態(tài)僅需變得稍微伸張。(塑性流動特性的該方面類似于符合摩擦效應(yīng)，其中單方向上的大滑動距離減小了對小正交位移的摩擦阻力。)該減小飛邊尺寸的手段優(yōu)選在剪切應(yīng)變停止之后多施加軸向拉伸應(yīng)變，因為所需的軸向應(yīng)力由此達到最小程度，從而減少了設(shè)備載荷需求以及氣穴或“熱撕裂”的可能性。盡管如此，如果軸向應(yīng)變是與剪切應(yīng)變分開施加的話，一些應(yīng)用場合仍可獲得其它益處，比如改善了探傷。與僅提供施加單向軸向位移方式實施的過程相比，該實施例容易采用多種這樣的載荷路徑，以由此更好地適應(yīng)各種應(yīng)用場合的需要。
正如早已指出的一樣，為摩擦焊中摩擦概念所固有的是，表面之間必須有相對滑動來產(chǎn)生熱量。相對于如此的摩擦焊理解，在表面之間無明顯(或任何)相對滑動的情況下能夠形成固態(tài)結(jié)合的發(fā)現(xiàn)，使得該過程能夠在表面之間有相對位移的情況下實施，界面中相對運動的相關(guān)速度明顯小于公知固態(tài)焊接方法中所需要的，即便是感應(yīng)輔助摩擦焊方法。同樣，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，由焊接引入的剪切應(yīng)變量趨于最小，由此減小了在摩擦焊中常出現(xiàn)的長條夾雜物的形成趨勢，這僅間接地限制了焊接期間施加的剪切應(yīng)變的量。
為了證明感應(yīng)輔助摩擦焊過程必然伴有明顯的滑動，研究一下由Lingnau在專利申請PCT/US99/25600中給出的一個示例是有幫助的(見頁10，行1-28)。在該示例中，描述的感應(yīng)輔助摩擦焊參數(shù)中的壁厚為0.157英寸[4mm]，碳鋼管直徑為4.5英寸[114.3mm]，其中，較之傳統(tǒng)摩擦焊的動能26,000ft-lb/inch2[54.64J/mm2]，給出的所需動能為1,978ft-lb/inch2[4.157J/mm2]。正如早前所述，Lingnau設(shè)想在工件接觸之后有“幾轉(zhuǎn)”的相對位移，且接觸是以“約每秒四英尺[1.22m/sec]的初始圓周速度”開始的(頁8，行18-19)，即便相關(guān)的動能輸入“大致等于傳統(tǒng)摩擦焊中能量輸入的10％”(根據(jù)權(quán)利要求1)。在這些條件之下，直徑為114.3mm(4.5英寸)的管子整整轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)而對應(yīng)于大約760mm(28英寸)的接觸下的滑動距離。本發(fā)明人已對相似鋼在熱加工溫度的動態(tài)剪切強度作了測量，其落在42-69Mpa(6,000-10,000psi)的范圍內(nèi)。關(guān)于仍預(yù)計有相當(dāng)大量的滑動的這一點，會這樣得到顯示，即，用于施加剛好一轉(zhuǎn)或380mm(14英寸)無滑動的相對表面運動的動能由如下關(guān)系式給出每單位表面積的機械功＝剪切強度×距離，或為本示例的29.4-49.0J/mm2(14,000-23,333ft-lb/inch2)。超過兩轉(zhuǎn)，所述動能就比實際施加的4.157J/mm2(1978ft-lb/inch2)大7到12倍。因此，在滑動摩擦條件下必定發(fā)生了大量的位移，而不是如本發(fā)明教導(dǎo)的那樣基本上沒有滑動。
對于該固態(tài)焊接方法而言，已發(fā)現(xiàn)25mm(1英寸)級的相對剪切位移施加足夠大的剪切應(yīng)變來結(jié)合碳鋼管狀部分，熱層厚度具有示例中給出的0.050英寸[1.27mm]的相似深度。相關(guān)的引起該剪切位移量的機械功為1.05-1.75J/mm2(500-833ft-lb/inch2)，其是傳統(tǒng)摩擦焊中的典型值54.64J/mm2(26,000ft-lb/inch2)的大約2％。就該示例而言，由此看出本工藝很好地落入如Lingnau的教導(dǎo)的“約等于傳統(tǒng)摩擦焊中所定能量輸入的10％”的動能極限之下。由此，按照不同于即使改進的摩擦焊的條件通常更好理解，其中，相關(guān)的熱能和機械能的貢獻被認(rèn)為是相關(guān)的控制變量，且軸向應(yīng)力應(yīng)根據(jù)“頂鍛力”考慮。(就這些過程而言，在上下文的關(guān)于摩擦焊的觀點中動能的含義更普遍地被描述為轉(zhuǎn)變成熱量的機械功。該熱源被理解成是通過感應(yīng)加熱引入的熱能的補充，以提供充足的總能量輸入，總能量輸入被看作控制參數(shù)。)本工藝的控制由此省卻了這些早期認(rèn)識中的一部分，力圖按照所施加的溫度分布而不是能量輸入來規(guī)定過程控制，所述控制與按時間而不是轉(zhuǎn)速和頂鍛力的剪切和軸向位移控制相聯(lián)合。不過，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解得到這樣的說明并不排除組合的多變量控制策略。
在其一個實施例中，本發(fā)明的又一個目的在于提供同時焊接多個相對配合的不連續(xù)表面的裝置。這樣不連續(xù)的表面出現(xiàn)在必須連接同心雙管或相似幾何結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場合中。就此類應(yīng)用而言，不連續(xù)表面相似地匹配，以保證在表面于加熱后一起靠攏時能大致同時地接觸。
本發(fā)明的還一個目的在于提供一種焊接配合的、相對的、非平面軸對稱表面的方法。根據(jù)本發(fā)明的啟示，實現(xiàn)結(jié)合輸入的剪切應(yīng)變的方向可改變。因此，如果配合面是平面的，其平行且平坦，剪切應(yīng)變就可通過幾乎無限大的路徑形狀輸入，包括軌道、擺動、線性平移或旋轉(zhuǎn)。不過，在要連接的配合面軸對稱時，工件會在表面相對布置時按需同軸對齊，以根據(jù)本發(fā)明的方法來焊接。因此，如果相對剪切位移是作為相對旋轉(zhuǎn)輸入的話，它們不必是平面的。例如，表面可被布置成具有大致相配合的截頭圓錐體形或截超環(huán)面形(truncated toroidal shape)。在某些應(yīng)用場合中，這些平面表面形狀的變型能格外有效地控制溫度分布、接觸條件下的對齊、飛邊形狀或總焊接強度。此外，配合程度可改變，這樣在工件一起靠攏時接觸就不同時在整個界面區(qū)域上發(fā)生。
一般的摩擦焊裝置被設(shè)計成這樣焊接具有配合面的軸對稱的第一和第二金屬工件，即，使通常連接在大飛輪上的第一工件快旋，并用足以摩擦地阻止第一工件快旋頂鍛力或軸向應(yīng)力將不旋轉(zhuǎn)的第二工件的配合面壓靠在快旋的第一工件上，同時充分加熱接觸區(qū)域，從而實現(xiàn)焊接。為了連接類似的大致軸對稱的工件，本發(fā)明的剪切輔助固態(tài)焊接方法在仍需旋轉(zhuǎn)運動、軸向位移以及相關(guān)的扭矩和軸向載荷的同時，僅需要旋轉(zhuǎn)提供50mm級的圓周位移。此外，傳統(tǒng)的機器一般缺少最有利地實現(xiàn)本發(fā)明方法所必要的精確位移控制。
因此，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種焊接裝置，其尤其適用于執(zhí)行具有大致軸對稱的配合面的第一和第二工件的固態(tài)剪切輔助焊接，其中需要執(zhí)行焊接的橫向或剪切位移是通過旋轉(zhuǎn)提供的。該焊接裝置包括主體，其具有第一和第二端，在主體的第一端設(shè)有第一夾持裝置，其適于以相對于主體固定的關(guān)系可松脫地夾持第一工件。在主體的第二端上連接有雙軸液壓致動器，它包括致動器主體，致動器主體具有第一端和第二端，還含有同心的雙動空心孔中間活塞和內(nèi)活塞，每個活塞都具有對應(yīng)于致動器主體端部的第一端和第二端，分別稱作頂鍛活塞和旋轉(zhuǎn)活塞，其中頂鍛活塞充當(dāng)旋轉(zhuǎn)活塞的缸體，并設(shè)有適于夾持第二工件的第二夾持裝置。第一和第二夾持裝置可包括老虎鉗或夾頭或任何本領(lǐng)域眾所周知的功能相當(dāng)?shù)难b置。頂鍛活塞的延伸或收回(在優(yōu)選實施例中由液壓裝置實現(xiàn))由此引起相對于致動器主體的軸向運動，同時旋轉(zhuǎn)活塞的延伸或收回(仍優(yōu)選由液壓裝置實現(xiàn))引起相對于頂鍛活塞的軸向運動，也即，旋轉(zhuǎn)活塞由頂鍛活塞承載。在優(yōu)選的延伸和收回的液壓控制下，頂鍛活塞和旋轉(zhuǎn)活塞由此串聯(lián)(in series)地動作。
致動器主體的第一端剛性地連接在主體的第二端上，且被布置成使頂鍛活塞上承載的第二夾持裝置與固定在主體上的第一夾持裝置相對地對齊，這樣就提供了一種定向彼此相對的第一和第二工件的配合端面的手段。嵌套的致動器主體、頂鍛活塞以及旋轉(zhuǎn)活塞中的每個的第二端都分別連接在相似地嵌套且緊密配合的組件上，該組件包括具有多個軸向槽的外套筒(outersleeve)；中間凸輪輪廓套筒(intermediate cam profile sleeve)，優(yōu)選具有沿周向分布的螺旋槽(helical slot)，以與設(shè)在外套筒內(nèi)的軸向槽相匹配；以及內(nèi)星形法蘭，承載有外徑向軸，其設(shè)有凸輪從動件，它們穿過每個螺旋槽和軸向槽并獨立地與每個螺旋槽和軸向槽接合。通過把致動器主體、頂鍛活塞和旋轉(zhuǎn)活塞的軸向運動這樣聯(lián)系起來，提供了一個機構(gòu)，由此旋轉(zhuǎn)活塞的相對軸向運動引起頂鍛活塞獨立于頂鍛活塞的軸向位置而相對于致動器主體旋轉(zhuǎn)。例如，通過合適地配備伺服液壓控制，該結(jié)構(gòu)就提供了簡單而堅固的裝置來精確地相對于第一工件定位第二工件，并利于控制快速的軸向運動以使配合面在加熱之后接觸，隨后進行軸向和剪切應(yīng)變的精確位移控制。
通過將中間凸輪輪廓套筒的凸輪輪廓設(shè)作螺旋，并將外套筒設(shè)作軸向槽，支持了許多應(yīng)用場合的需要。不過，顯然，頂鍛活塞的相聯(lián)運動(linkedmotion)可進一步通過將這些凸輪輪廓設(shè)成其它形狀而改變。例如，在反向或擺動運動有益的應(yīng)用中，該運動可通過對旋轉(zhuǎn)活塞方向進行液壓控制而獲得。不過，該旋轉(zhuǎn)控制的機械支承也可通過給中間凸輪輪廓套筒設(shè)有正弦、鋸齒或其它槽輪廓來實現(xiàn)。此外，該機械控制要施加到外套筒的槽輪廓上，由此直的軸向運動可改變，以利于控制例如表面接觸時剛開始的旋轉(zhuǎn)。這可容易地通過在外套筒中設(shè)置在其長度的至少一部分上螺旋定向的槽來實現(xiàn)。運動控制的這些和其它變型全都因所描述的焊接裝置而變得容易。


現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明的實施例進行描述，附圖中的參考標(biāo)號表示相同的部分，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明方法的第一實施例焊接的管狀工件的局剖圖；圖2是根據(jù)方法的第二實施例焊接的管狀工件的局剖圖；圖3是本發(fā)明裝置一實施例的側(cè)橫剖圖，其準(zhǔn)備用來焊接如圖1和2所示的管狀工件；圖4是圖3中所示的完成了焊接時的裝置的視圖；圖5是線性時標(biāo)圖，示出了根據(jù)如圖1所示的本發(fā)明方法第一實施例形成焊縫時的關(guān)鍵工藝參數(shù)；圖6是線性時標(biāo)圖，示出了根據(jù)如圖2所示的本發(fā)明方法第二實施例形成焊縫時的關(guān)鍵工藝參數(shù)；圖7是線性時標(biāo)圖，示出了根據(jù)本發(fā)明方法第三實施例形成焊縫時的關(guān)鍵工藝參數(shù)，提供了與圖1中所示焊縫相似的焊縫，不過具有零凈最終旋轉(zhuǎn)(zero net final rotation)；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一替換實施例同時焊接的具有兩個分立的環(huán)形區(qū)域的工件之間焊縫的橫剖圖；
圖9是與圖1相似的焊接接頭的局剖圖，不過具有不同于平面熔合線界面的嵌合；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一替換方法一般需要的感應(yīng)加熱線圈配置的示意橫剖圖，以利于形成圖9中所示的焊縫；圖11是采用一對設(shè)有鐵磁屏蔽的線圈的替換感應(yīng)加熱線圈配置的示意橫剖圖；圖12是具有四個線圈的替換感應(yīng)加熱線圈配置的示意圖，出于示范性的目的，連同圖8中所示的工件作了圖示。
具體實施例方式
圖1示出了通過本發(fā)明的優(yōu)選方法形成的出現(xiàn)在焊管中的剪切輔助固態(tài)焊縫。在圖1中，將第一金屬管狀工件1同軸地焊接在第二金屬管狀工件2上，以形成焊縫區(qū)3。焊縫區(qū)3被一熔合線(bond line)4一分為二，且一般由分別在第一和第二工件的焊接端7和8上的第一和第二熱影響區(qū)5和6來限定。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法，如上所述，用于活化焊縫區(qū)3中的結(jié)合(bond)的剪切是作為工件1與2之間的單向同軸相對旋轉(zhuǎn)輸入的。在此情況下，沿著工件1和2所劃的軸向基準(zhǔn)線在焊接之前就被扭曲且在焊接之后作為曲線9出現(xiàn)，該線示出了經(jīng)焊接工藝施加的塑性剪切扭曲。顯然，線最斜，則局部應(yīng)變量最大。多半塑性剪切扭曲是在熱加工溫度下出現(xiàn)在材料中的，因而由尺寸z表示的組合熱層厚度明顯地作為界定熔合線4的間隔，在那里曲線9的斜度通常最斜。
在單向切變位移的條件下，施加的整個切變位移由距離x表示，一般越過熱層厚度，于是平均塑性剪切應(yīng)變量在此表征為x/z。顯然，這一般對應(yīng)于熔合線4處線9的斜度。為了連接普通碳鋼，發(fā)現(xiàn)該剪應(yīng)變必須約為10或更大；即，結(jié)合活化剪應(yīng)變按此材料而言為10數(shù)量級的。
仍參見圖1，貫穿焊縫區(qū)3的側(cè)壁橫剖圖分別示出了典型的外飛邊10和內(nèi)飛邊11，其是通過采用本方法僅利用單向壓縮軸向應(yīng)變控制得到焊縫而獲得的。在這些控制條件下，如圖所示，飛邊的形狀是圓形的(也即，具有小的縱橫比)，熔合線延緩到飛邊末端，從而最大程度地減小或消除了留凹口的傾向，這是摩擦焊所特有的。一般來說，不希望出現(xiàn)凹口，因為它形成了應(yīng)力梯級和腐蝕開始點。同樣，焊縫小的縱橫比或圓形特征還減小了飛邊的應(yīng)力梯級影響，即便與利用由Lingnau教導(dǎo)的改進的感應(yīng)輔助摩擦焊方法獲得的相比。因此，在許多要不然會在摩擦焊時需要消除飛邊的應(yīng)用場合中，對于通過本發(fā)明的方法形成的焊縫來說，該步驟一般不需要，即便僅采用單向壓縮軸向應(yīng)變控制來實施。
現(xiàn)在參見圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明方法一可替換實施例制成的焊縫，其中，在結(jié)合活化階段之后，施加有拉伸或延展軸向應(yīng)變的控制。在此情況下，實際上消除了飛邊，從而在即便是最小的飛邊鐓粗也是不利的應(yīng)用場合中帶來了更大的益處。
現(xiàn)在參見圖3，通過設(shè)置夾具100容易制造這樣的軸對稱焊件，從而能對工件進行剪切輔助固態(tài)焊接，比如第一和第二管狀工件1和2，其分別具有平滑的直角切割的、分別形成配合的軸對稱表面12和13的端部7和8。第一和第二管狀工件1和2分別夾在上夾頭101和下夾頭102中。上夾頭101連接在反應(yīng)法蘭1(reaction flange)03上，反應(yīng)法蘭103自身連接在主體104的上端105上。反應(yīng)法蘭103優(yōu)選被構(gòu)造成包括載荷傳感器，其能測量由該法蘭傳輸?shù)妮S向和扭轉(zhuǎn)載荷。主體104包括具有上端105和下端106的厚壁管，且分別設(shè)有適當(dāng)定位的感應(yīng)加熱器線圈通道107和總通道口108。
主體104在其下端106連接在雙軸液壓傳動分總成(dual-axis hydraulicactuator sub-assembly)200上，該分總成200包括(a)外氣缸201，分別設(shè)有上端蓋202和下端蓋203，具有本領(lǐng)域中普遍公知的密封裝置和襯套，它們與外氣缸201一同包括致動器主體204；(b)中間頂鍛活塞(forge piston)205，其同軸地位于致動器主體204的內(nèi)部且與之密封地接合；(c)內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞206，其同軸地位于中間頂鍛活塞205內(nèi)，分別具有上密封隔板207和下密封隔板208，它們設(shè)有本領(lǐng)域眾所周知的密封裝置和襯套，位于與它們連接的內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞206和中間頂鍛活塞205之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，從而形成兩個嵌套的空心孔液壓活塞，中間頂鍛活塞205充當(dāng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞206的缸體。
這些致動器的軸向運動優(yōu)選這樣來實現(xiàn)，即，提供裝置來在伺服液壓控制下將液壓流體分別泵入用于中間頂鍛活塞205的密封環(huán)形延伸和收回腔209和210以及用于泵出內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞206的密封環(huán)形延伸和收回腔211和212。
內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞206被設(shè)置成雙動空心孔活塞，具有下端213，剛性地連接在凸輪從動支承法蘭214上。中間頂鍛活塞205在其下端215連接在轉(zhuǎn)筒篩216上，而在其上端217連接在下夾頭102上，從而支承第二工件2。轉(zhuǎn)筒篩216通常為圓筒形，設(shè)有若干均勻隔開的螺旋狀凸輪槽218，且被布置成與內(nèi)軸向罩(axial cage)219和外凸輪從動支承法蘭214緊密配合。軸向罩219通常為圓柱形，具有上端220，設(shè)有若干均勻隔開的軸向凸輪槽221，從而與螺旋狀凸輪槽218相匹配。軸向罩219的上端220剛性地連接在下氣缸端蓋203上，由此擔(dān)當(dāng)致動器主體204的延伸部分。
徑向軸222連接在凸輪從動支承法蘭214上，且貫穿每對螺旋狀凸輪槽218和軸向凸輪槽221。內(nèi)凸輪從動件223和外凸輪從動件224安裝在每個徑向軸222上，且被布置成使內(nèi)凸輪從動件223與螺旋狀凸輪槽218在轉(zhuǎn)筒篩216中接合，而外凸輪從動件224與軸向凸輪槽221在軸向罩219中接合。有了該布置方式，頂鍛活塞205乃至第二工件2可分別根據(jù)旋轉(zhuǎn)活塞206和頂鍛活塞205的液壓延伸或收回控制相對于主體104獨立地旋轉(zhuǎn)或軸向移動。下面將更為詳細(xì)地描述這種獨立的可控性。
旋轉(zhuǎn)控制由于頂鍛活塞205的延伸或收回分別被延伸和收回腔209和210的液流的液壓控制所阻止，因而旋轉(zhuǎn)活塞206的延伸或收回導(dǎo)致頂鍛活塞205旋轉(zhuǎn)，因為接合在軸向槽221中的外凸輪從動件224限制了徑向軸222僅僅軸向移動。因為這些軸為接合在螺旋槽218中的內(nèi)凸輪從動件223所共用，因而就只能通過轉(zhuǎn)筒篩216乃至與它連接的頂鍛活塞205的旋轉(zhuǎn)來提供徑向軸222的軸向移動。顯然，旋轉(zhuǎn)活塞206的軸向移動與頂鍛活塞205的旋轉(zhuǎn)之間的這一關(guān)系是受螺旋槽218的螺距角或螺旋角支配的，該角度是與其它設(shè)計變量結(jié)合來選定的，比如活塞面積、沖程、泵壓和流動體積，以相對于要焊接的工件的尺寸提供足夠的扭矩和旋轉(zhuǎn)能力。特別是，旋轉(zhuǎn)活塞206的沖程和螺旋槽218的長度是與螺距相結(jié)合來選擇的，以提供足以施加在選定尺寸范圍內(nèi)焊接工件所必要的剪切位移的旋轉(zhuǎn)。
軸向控制由于旋轉(zhuǎn)活塞206延伸或收回被合適的液壓控制所阻止，因而因而頂鍛活塞205的延伸或收回直接導(dǎo)致第二工件2軸向移動，而旋轉(zhuǎn)是通過外凸輪從動件224與軸向槽221的接合來防止的。通過按照本領(lǐng)域中眾所周知的方式結(jié)合伺服液壓反饋控制合適地裝配壓力和位移傳感器，夾具100由此能容易地相對于第一工件1進行施加到第二工件2上的軸向位移、接觸力、旋轉(zhuǎn)和扭矩的過程控制。
在其優(yōu)選實施例中，夾具100還設(shè)有一個感應(yīng)加熱線圈系統(tǒng)300，包括一個或多個感應(yīng)線圈301，滑動地支承在裝于主體104上的托架302中，且被布置成感應(yīng)線圈可同軸地位于工件1和2的相配端面12和13之間以進行加熱(如圖3所示)，并且感應(yīng)線圈通過合適的部件比如氣動致動器對感應(yīng)線圈301的端部連接件303起作用而在表面12和13接觸之前收回(如圖4所示)。再次參見圖3，障板304和305以及蓋子306被設(shè)置用來促進保護氣體比如氮氣的容納，從而在加熱和焊接期間提供非氧化性環(huán)境。還與一個或多個感應(yīng)線圈301連接地設(shè)置有感應(yīng)電源和電纜。
使用單個線圈的話，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能理解得到感應(yīng)加熱線圈301的幾何結(jié)構(gòu)、其相對于工件1和2的端面12和13的位置以及線圈激勵電流的頻率、振幅和持續(xù)時間都可采用市場中能得到的感應(yīng)加熱電源來不同地控制，從而在工件端部實現(xiàn)理想的軸向溫度分布。
不過，正如已經(jīng)討論的一樣，使用單個感應(yīng)線圈來同時加熱如圖3所示的兩個表面，雖然在結(jié)構(gòu)上具備一定的簡單性，但實際上在均勻加熱兩表面上卻明顯存在困難。在加熱過程中，單個感應(yīng)線圈與兩工件電磁耦合。由此傾向于優(yōu)先加熱最接近的表面。為了防止一個表面過熱或另一個表面過冷，線圈必須因此正確地定位以平衡線圈與每個單獨工件表面之間的相對間隙尺寸。在其優(yōu)選實施例中，感應(yīng)加熱線圈系統(tǒng)300由此被設(shè)置為雙線圈，其可以被構(gòu)造成各種不同的樣子，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能明顯看出的一樣。
現(xiàn)在參見圖11，示出了這樣一種布置方式，兩個線圈301a和301b由鐵磁材料的防護罩310a和310b分開以增加磁場強度來加熱配合面且減少線圈之間的電磁耦合。這種采用了鐵磁屏蔽的布置方式使兩線圈間隔得更近?；蛘撸姶篷詈峡赏ㄟ^增大線圈間距而減小，相應(yīng)地需要較大的軸向行程來使配合面在加熱之后接觸。
夾具100的新構(gòu)造，尤其是液壓傳動分總成200的雙軸運動(即軸向和旋轉(zhuǎn))，較之通常用于實現(xiàn)相似或類似的焊接運動和作用力的公知摩擦焊設(shè)備，容易根據(jù)需要施加焊接期間熱加工金屬工件所必要的軸向和剪應(yīng)變以及相關(guān)的載荷，以采用特別有利的方式實施本發(fā)明的方法。與此類其它設(shè)備構(gòu)造相比，夾具100在通常設(shè)有該液壓致動器的密封裝置和襯套之上不需要通常需在高的頂鍛力下適應(yīng)旋轉(zhuǎn)的重軸承。因此它只需要最小程度的機械復(fù)雜性來施加旋轉(zhuǎn)，且容易提供精確位移控制所需的高剛性。
致動器空心通孔致動器(hollow，through-bore actuator)有利于比如管道或打井需要的長管的焊接。該結(jié)構(gòu)的簡單性在許多可實施本發(fā)明焊接方法的應(yīng)用比如管道或套管裝配提供了多種其它有價值的優(yōu)點，比如組裝緊湊、投資成本不大、可靠性更高以及相對于夾具體的運動僅限于一個工件。
應(yīng)該理解的是，在此相對于夾具100的附圖的上和下的含義并不意味著指根據(jù)重力方向；因此夾具100的軸可按照一般在管道上焊接優(yōu)選的那樣水平定向。
在操作中，夾具100容易進行本發(fā)明優(yōu)選實施例的焊接，參見圖3，第一工件1的表面12相對于線圈301位于上固定夾頭101中，正如在加熱前或加熱中所呈現(xiàn)的那樣，于是就能獲得一個受控間隙，其足夠大以保證電絕緣，但足夠靠近以在線圈與第一工件1之間實現(xiàn)令人滿意的感應(yīng)場耦合來加熱其表面12。同樣，調(diào)節(jié)下活動夾頭102中的第二工件2的位置和頂鍛活塞205的位置以在工件2的端面13與線圈301之間獲得一個相似的間隙，還將頂鍛活塞205的位置布置成具有足夠大的沖程來使工件1和2的端面12和13接觸，其中線圈301是收回的。旋轉(zhuǎn)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，在所述線圈延伸的情況下，將保護氣體導(dǎo)入封閉空間，足以充分地清除環(huán)境中與工件端面12和13接觸的氧氣，直到所述工件端面接觸為止。一旦環(huán)境由此凈化，工件的加熱便開始并持續(xù)，直到接觸表面處于熱加工溫度范圍內(nèi)的最小結(jié)合溫度上，且每個工件上位于表面下的材料層也由此處于熱加工溫度范圍中，從而在每個工件的端部形成一熱層。線圈隨后收回，工件在位移控制之下于相當(dāng)短的時間段內(nèi)相接觸，以防止工件表面在熱加工溫度之下冷卻。旋轉(zhuǎn)優(yōu)選地剛好在表面接觸之前開始，并與軸向位移協(xié)同配合以繼續(xù)受控地施加軸向干涉，從而防止相當(dāng)大程度的滑移，而旋轉(zhuǎn)同時施加至少與結(jié)合活化剪應(yīng)變相當(dāng)?shù)募魬?yīng)變，由此完成焊縫。圖4示出了完成焊縫之后的夾具100中的焊好的工件1和2。
現(xiàn)在參見圖5，圖中按時間說明性地繪制了加熱完成后的關(guān)鍵工藝參數(shù)，所述關(guān)鍵工藝參數(shù)與上述根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例焊接碳鋼期間的夾具100的操作所述的步驟順序相對應(yīng)。在該圖中，位移參照接觸的位置，時間是在加熱剛完成時開始示出的。所示的關(guān)于應(yīng)力、位移和時間的大小比例不過是說明了焊接外徑為178毫米且厚度為8毫米的碳鋼管所得到的代表值，不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。
曲線C1示出了基于頂鍛活塞位移的工件的相對軸向位置；即，負(fù)值對應(yīng)于第一和第二工件配合面之間的間隙，而正值對應(yīng)于通過控制頂鍛活塞所施加的干涉或鐓鍛。曲線C2示出了從旋轉(zhuǎn)活塞的軸向位移得到的圓周或剪切位移。曲線C3示出了從對扭矩的測量中得到的剪切應(yīng)力，曲線C4示出了從對頂鍛活塞載荷的測量中得到的軸向或頂鍛應(yīng)力。由于分布有塑性應(yīng)變的熱層厚度對于軸向和剪切位移而言都相同，則示出的相對位移量對于應(yīng)變而言相同。
時間T0對應(yīng)于加熱的終點和線圈收回的始點。在時間T1處，線圈的收回完成，頂鍛活塞的運動開始。時間T2對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)運動的始點，接觸在T3進行(盡管應(yīng)該注意到，T2和T3在替換實施例中可一致，或者T3實際上可在T2之前)。接觸之后，剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力都一直增加到時間T4，此后，軸向應(yīng)力可減小，甚至可拉伸，在該示例中，其出現(xiàn)在焊縫大部分完成時的時間T5。結(jié)合活化階段由此出現(xiàn)在時間間隔T3-T5。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，該圖示出了當(dāng)開始接觸時，軸向壓縮應(yīng)力與剪切應(yīng)力相依隨地增加，于是剪切應(yīng)力與軸向應(yīng)力所成的比就大于表面在其熱加工溫度時的表觀摩擦系數(shù)，從而防止了滑移。不過，當(dāng)剪切位移量增加且結(jié)合隨之增加時，該比就可增加，于是軸向應(yīng)力就可達到最高點，隨后減小，實際上還可拉伸。軸向應(yīng)變乃至應(yīng)力的這種控制與現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于摩擦焊的教導(dǎo)恰恰相反，在所述教導(dǎo)中，壓縮“頂鍛力”被認(rèn)為在整個焊接循環(huán)中是必要的，并且確實是優(yōu)先增加且保持到旋轉(zhuǎn)停止。同樣，實現(xiàn)結(jié)合所需要的很短時間(在該示例中小于3秒)明顯要少于現(xiàn)有技術(shù)中所公知的擴散結(jié)合所期望的時間。
相對于剪切位移的速度，不僅相應(yīng)地將一接觸時引入干涉的速度用于最大程度地減少滑移，而且同時用于施加充分的垂直于接觸表面的塑性變形。這有利于補償一些配合面12與13間的不匹配量。這一點可有利地予以利用，這樣需要的匹配度就不大；例如，一般的車床加工表面處理能形成高質(zhì)量的焊縫。
仍參見圖5，曲線C1所示的最終頂鍛活塞位移反映了本發(fā)明優(yōu)選實施例的剩余軸向壓縮應(yīng)變乃至飛邊體積。該優(yōu)選實施例由此分別通過外內(nèi)飛邊10和11中的材料體積而在如圖1所示的焊縫區(qū)中提供適量的加強。就所給出的示例而言，飛邊的最大厚度大約為管壁厚度的25％。這是利用約為壁厚10％的鐓粗部長度(upset length)獲得的。此種加強作為這樣一種手段在許多應(yīng)用場合中是有利的，即，減小在熱影響區(qū)的應(yīng)力，由此提高焊接連接的強度以便易于超過管母材的強度。配合的管端部附近的幾何控制，比如通過給管端部預(yù)加工內(nèi)和/或外倒角，也可相對于管壁厚用來減小最終焊縫鐓粗部尺寸，但這樣的倒角斜切會增添額外的成本。
對于希望飛邊更小而無需進行這種額外的預(yù)加工的應(yīng)用場合來說，在一可替換實施例中，本發(fā)明的方法用來提供特征在于飛邊極小的焊縫?，F(xiàn)在參見圖6，在該可替換實施例中，曲線C1所示的頂鍛活塞運動受到控制以在時間T5之后開始減少，使得最終鐓粗部(final upset)接近零。與圖5中所示的過程控制相比，這導(dǎo)致拉伸軸向應(yīng)力稍微大一點，但因為剪應(yīng)變速度(由曲線C2的斜度表示)同時要比軸向應(yīng)變速度(由曲線C1的斜度表示)大得多，這種趨勢就達到最小，相應(yīng)地，增大會在沒有剪應(yīng)變時發(fā)生軸向應(yīng)變而出現(xiàn)的空隙的大小的趨勢也是一樣的情況。該可替換實施例由此提供了一個如圖2示出的飛邊體積所示的可忽略飛邊。
在本發(fā)明的另一個實施例中，圖3中所示的夾具100可容易地用來提供雙向剪應(yīng)變過程控制，如圖7所示。在該可替換實施例中，剪應(yīng)變乃至應(yīng)力的方向在制作焊縫的時間T4.5反向，在那里，例如初始和最終的旋轉(zhuǎn)位置是相同的，如圖7的曲線C2所示。該特征有利于比如管道接頭的應(yīng)用場合，在那里，兩個工件中沒有一個能夠自由旋轉(zhuǎn)，且希望在所限制的管道間隔內(nèi)沒有殘余扭矩而完成焊縫。顯然，這說明了通過該裝置容易進行多種載荷路徑變化，從而利用經(jīng)由本發(fā)明的焊接方法取得的、潛在地起因于在剪切方向上的矛盾意向的益處。在一些應(yīng)用場合中，有利的是，通過讓轉(zhuǎn)筒篩216中的凸輪槽形成非螺旋狀的輪廓比如一般為圓形的鋸齒輪廓而簡化這些旋轉(zhuǎn)載荷路徑，從而促進擺動旋轉(zhuǎn)而無需旋轉(zhuǎn)活塞206軸向反向。
在又一個實施例中，本發(fā)明的方法可用來同時連接兩個或多個分立的配合面(discrete mating surfaces)。圖8示出了這樣一種幾何結(jié)構(gòu)，即，焊縫形成在具有同心配合的凸起的環(huán)形內(nèi)區(qū)和外區(qū)401和402的第一和第二軸對稱工件1和2之間。該幾何結(jié)構(gòu)需要協(xié)調(diào)地加熱內(nèi)環(huán)和外環(huán)，從而保證兩區(qū)域在結(jié)合之前處于熱加工溫度范圍。在利用單個同軸地位于也是同軸排列的配合端之間的線圈進行感應(yīng)加熱來控制溫度時，線圈必須提供內(nèi)外環(huán)，此時，所述環(huán)的幾何結(jié)構(gòu)被調(diào)節(jié)用來平衡表面之間的熱輸入，由此確保符合溫度限制。
雖然該布置方式能提供令人滿意的結(jié)果，但優(yōu)選采用兩個(或者，更優(yōu)選為四個)獨立線圈來執(zhí)行加熱。在這樣的線圈布置方式中，工件無需在加熱期間軸向?qū)R?？刹捎靡话闳鐖D12所示的布置方式，其采用了四個獨立的線圈和電路410a、410b、410c和410d。加熱之后，在采用本發(fā)明的剪切輔助固態(tài)焊接方法進行焊接之前，工件沿著箭頭所示的方向移動至同軸對齊。在這樣的布置方式中，線圈可設(shè)置在固定的位置，或它們可移動，便于或適于與特定的應(yīng)用相配。
在圖8所示的示例中，分立的配合面位于相同的平面中。不過，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，容易明顯地看出本發(fā)明的方法還適于焊接具有多個位于不同平面的分立配合面的工件，只要這些平面基本平行。
在其它實施例中，本發(fā)明的方法有利于連接非平面的軸對稱的配合面。圖9示出了這樣一個幾何結(jié)構(gòu)的管焊縫，其中，配合面具有鋸齒輪廓，且因此，熔合線4在焊縫橫剖面上呈鋸齒狀。為了通過采用感應(yīng)加熱在該幾何結(jié)構(gòu)上實施焊接，線圈幾何結(jié)構(gòu)通常需要被布置成遵從或匹配表面輪廓的外形，由此控制線圈與工件表面之間的間隙尺寸乃至局部熱量輸入的速度。不過，在鋸齒輪廓與所需的間隙厚度相比不大時，這樣的線圈造型就可能不必要了。例如，圖10示出了加熱期間相對于工件1和2的圖9幾何結(jié)構(gòu)的感應(yīng)加熱線圈301。顯然，通常如果必須將感應(yīng)加熱器成形為使得能獲得足夠均勻的加熱，則通過在單個平面上平移來移去可能不可行，因為線圈會干涉工件端部。在此情況下，各種替換都是可利用的，包括線圈在收回之前協(xié)同一個或兩個工件移動的軸向移動、開環(huán)線圈的使用以及本領(lǐng)域中公知的其它方式。
圖9的焊縫幾何結(jié)構(gòu)在這樣的應(yīng)用場合中是有利的，即，希望相對軸向應(yīng)力方向來旋轉(zhuǎn)熔合線的定向，以獲得強度并提高裂紋的終止特性，否則裂紋可能擴展而穿過平面焊縫的全部厚度。
本發(fā)明方法的特別有利之處在于，待結(jié)合的表面的制備無需滿足嚴(yán)格的要求。已發(fā)現(xiàn)，盡管存在氧化物，其會在通常干的空氣中在室溫形成于新加工的碳鋼表面上，也能實現(xiàn)令人滿意的焊縫。不過，還觀察到需要引入以實現(xiàn)結(jié)合的剪應(yīng)變的量會隨著配合面上的氧化物或其它雜質(zhì)(例如油或臟物)的量而增加。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括一個清潔待結(jié)合表面的步驟，作為一種控制并使剪應(yīng)變的量最小的附加手段，以便獲得理想的焊接結(jié)構(gòu)。
清潔步驟可以采用本領(lǐng)域眾所周知的多種方法中的任何一種。例如，氧化物可利用機械研磨手段予以消除，優(yōu)選利用保護氣體比如氮氣?；蛘撸赏ㄟ^化學(xué)手段來實現(xiàn)氧化物的消除，例如在高溫時配合面暴露給還原性氣體。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員就容易看出，可作出本發(fā)明的各種變型，而沒有脫離本發(fā)明的基本原理，且所有這樣的變型都應(yīng)包括在本發(fā)明的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
在本專利文獻中，詞“包括”按其非限定的意義使用，意指包括遵從該詞的項，但未專門提到的項也不排除在外。元件涉及的不定冠詞“a”并不排除存在超過一個的元件，除非上下文清楚地要求有且僅有一個該元件。
權(quán)利要求
1.一種連接金屬件的剪切輔助固態(tài)焊接方法，所述方法包括如下步驟(a)提供第一和第二金屬工件，每個工件具有適于與另一工件的接觸表面基本相配地接合的接觸表面；(b)加熱所述工件，從而升高鄰接每個接觸表面的金屬的熱層中的溫度以處在所述工件基體金屬的熱加工溫度范圍內(nèi)；(c)使所述接觸表面基本上配合接觸，同時仍處在所述熱加工溫度范圍內(nèi)；(d)在所述接觸表面上施加軸向壓縮載荷，所述壓縮載荷足以基本上防止與足以在所述熱層中引起塑性流動的橫向剪應(yīng)變的施加響應(yīng)的滑動；和(e)在所述工件之間施加橫向剪切位移，所述剪切位移足以在所述熱層中引起塑性剪應(yīng)變以逐漸使所述工件在界面區(qū)域中結(jié)合。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述剪切位移的定向模式從由軌道、擺動、旋轉(zhuǎn)和反向構(gòu)成的組中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，還包括如下步驟在初期結(jié)合之后垂直于所述界面區(qū)域施加附加應(yīng)變，同時使至少一部分所述熱層保留在所述熱加工范圍內(nèi)，從而調(diào)節(jié)飛邊體積。
4.如權(quán)利要求3所述的焊接方法，其中，所述附加垂直應(yīng)變是拉伸應(yīng)變。
5.如權(quán)利要求4所述的焊接方法，還包括的如下步驟結(jié)合所述附加拉伸應(yīng)變而引入附加剪切位移。
6.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述加熱工件的步驟是利用感應(yīng)加熱實現(xiàn)的。
7.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述加熱工件的步驟是在所述使所述接觸表面接觸的步驟之后進行的。
8.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，還包括如下步驟在所述加熱所述工件的步驟之前清潔所述接觸表面。
9.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，還包括如下步驟在所述加熱所述工件的步驟當(dāng)中清潔所述接觸表面。
10.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，還包括如下步驟在所述接觸表面的附近引入保護氣體，以形成加熱并結(jié)合工件的基本上非鈍化的環(huán)境。
11.如權(quán)利要求10所述的焊接方法，其中，所述保護氣體包括氮氣。
12.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述接觸表面基本上為平面。
13.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述接觸表面相互嵌合。
14.如權(quán)利要求13所述的焊接方法，其中，所述相互嵌合的接觸表面包括配合的鋸齒部分。
15.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述加熱所述工件的步驟是在所述工件軸向?qū)R的情況下執(zhí)行的。
16.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，所述加熱所述工件的步驟是在所述工件沒有軸向?qū)R的情況下執(zhí)行的，還包括如下步驟在加熱之后且在使所述接觸表面相接觸的步驟之前，使所述工件移動至軸向?qū)R。
17.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其中，每個工件都具有多個與其它工件的分立的接觸表面相對應(yīng)的分立的接觸表面。
18.如權(quán)利要求17所述的焊接方法，其中，所述分立的接觸表面位于大致相同的平面中。
19.如權(quán)利要求17所述的焊接方法，其中，所述分立的接觸表面的平面平行但相互錯開。
20.一種用于對兩金屬工件進行剪切輔助固態(tài)焊接的裝置，每個工件都具有適于基本上相配地與另一工件的接觸表面接合的接觸表面，所述裝置包括(a)具有第一端和第二端的主體；(b)與所述主體的第一端相關(guān)的第一夾持裝置，所述第一夾持裝置適于以相對于主體固定的關(guān)系而可松脫地保持第一工件；(c)位于所述主體的第二端的雙軸液壓致動器；其中(d)所述液壓致動器包括具有第一端和第二端的致動器主體；(e)所述致動器主體具有雙動的、空心孔的中間頂鍛活塞和雙動的、空心孔的內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞；(f)所述中間頂鍛活塞和所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞同心地設(shè)置在所述致動器主體內(nèi)，所述中間頂鍛活塞充當(dāng)所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞的缸體；(g)中間頂鍛活塞和內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞各具有對應(yīng)于所述致動器主體端部的第一端和第二端；(h)第二夾持裝置被設(shè)置成與所述中間頂鍛活塞的第一端相關(guān)，所述第二夾持裝置適于可松脫地夾持第二工件；(i)所述致動器主體的第一端剛性地連接在所述主體的第二端上，且被布置成使所述第二夾持裝置與所述第一夾持裝置相對地對齊，這樣就提供了使所述工件的接觸表面定位而相配地接合的裝置；和(j)所述嵌套的致動器主體、所述中間頂鍛活塞以及所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞中的每一個的第二端都分別連接在相似地嵌套且緊密配合的組件上，該組件包括j.1具有多個大致軸向的槽的外套筒；j.2中間凸輪輪廓套筒，其具有沿周向分布的螺旋槽，以與設(shè)在所述外套筒內(nèi)的所述大致軸向的槽相匹配；和j.3內(nèi)星形法蘭，其承載有外徑向軸，所述外徑向軸被提供有凸輪從動件，所述凸輪從動件穿過各個所述螺旋槽和所述大致軸向的槽并獨立地與各個所述螺旋槽和所述大致軸向的槽接合，從而將所述致動器主體、所述中間頂鍛活塞和所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞的軸向運動與所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞的相對軸向運動聯(lián)系起來，使得所述中間頂鍛活塞基本上獨立于所述中間頂鍛活塞的軸向位置而相對于所述致動器主體旋轉(zhuǎn)。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，所述凸輪輪廓套筒中所述螺旋槽和所述外套筒中軸向槽的方向和節(jié)距被構(gòu)造成使所述螺旋槽和所述軸向槽具有一般為正弦的輪廓，由此，所述致動器主體、所述中間頂鍛活塞以及所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞的相聯(lián)運動結(jié)合所述內(nèi)旋轉(zhuǎn)活塞和所述中間頂鍛活塞的相對軸向運動，從而與所述中間頂鍛活塞的軸向運動相配合地、機械地控制所述中間頂鍛活塞的旋轉(zhuǎn)、幅度和方向。
全文摘要
一種連接金屬件(1、2)的剪切輔助固態(tài)焊接方法，包括的第一步驟為在非鈍化的環(huán)境中將金屬件(1、2)相對的表面(7、8)加熱到金屬熱加工溫度范圍內(nèi)的溫度。第二步驟涉及使相對的表面(7、8)接觸，同時仍處于熱加工溫度范圍內(nèi)，并施加足以充分防止隨剪切位移而進行的滑動的壓縮應(yīng)力，使得熱層中出現(xiàn)塑性流動。第三步驟涉及施加金屬工件(1、2)的相對剪切位移而不脫開相對的表面(7、8)。剪切位移在熱層中引起塑性剪應(yīng)變以逐漸引起結(jié)合。
文檔編號B23K20/02GK1816412SQ200480019335
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者莫里斯·W·斯萊克, 丹尼爾·M·舒特 申請人:諾伊蒂克工程股份有限公司