專利名稱：利用摩擦攪動(dòng)處理技術(shù)的三體連接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉;5Lf擦攪動(dòng)連接方法。更具體而言，本發(fā)明是 一種利用具有能夠至少部分自耗的銷的自M擦攪動(dòng)工具將金屬工件 連接在一起的方法，其中所述銷具有在以第一速度旋轉(zhuǎn)時(shí)切入第一工 件材料的切削邊緣。在至少切入第一工件材料足夠的深度后，工具的 轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，以引起銷自身塑化，并^^第一工件材料和第二工件材 料連接起來(lái)。在第一工件材料、第二工件材料以及銷被充分加熱后， 工具的旋轉(zhuǎn)迅速減速或完全停止，以使銷和第一工件材料以及第二工 件材料能夠結(jié)^來(lái)。在本文中將該過(guò)程稱作摩擦攪動(dòng)鉚接。
背景技術(shù)：
存在多種用于將金屬工件連接在一起的方法；這些方法中的一
些包括焊接、點(diǎn)焊、緊固件(如螺釘和螺栓)和摩擦攪動(dòng)焊接等。 支配所有連接方法的三個(gè)基本原理包括機(jī)械連接、熔接(熔焊)以
及固態(tài)連接(摩擦焊接)。每種原理技術(shù)都具有優(yōu)點(diǎn)；然而，針對(duì)應(yīng) 用場(chǎng)合而通常選擇的方法由具有最少的可容許缺點(diǎn)的技術(shù)決定。機(jī) 械式工件連接方法的例子包括螺釘、螺栓和螺母、燕尾榫、模鍛、 鉚接以及過(guò)盈連接等。因此螺紋的承載能力有限、多個(gè)部件和組件 的成本高、必須^沒置在工件中的孔和/或緊固件所需的空間的成本， 很多場(chǎng)合都不能使用螺釘或螺栓。燕尾榫和其它工件鎖定方法在特 定的方向上鎖定，但在其它的方向上則能夠滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)分離。在任何機(jī)械緊固件中，鉚釘或許具有單位面積和體積上的最大連接強(qiáng)度，但是鉚釘頭的機(jī)械變形降低了吸能能力和延展性。
當(dāng)機(jī)械方法不是可以接受的連接技術(shù)時(shí)，使用熔焊方法，除非
認(rèn)為工件是不可焊接的。例如，由7000系鋁制成的航空器部件被認(rèn)為是不可焊接的，因?yàn)楫a(chǎn)生的焊接強(qiáng)度低達(dá)基底金屬屬性的50%.諸如鋼、不銹鋼和鎳基合金的高熔點(diǎn)材料(HMTM )是能夠焊接的，但是連接強(qiáng)度受限于與熔焊相關(guān)的問(wèn)題。這些問(wèn)題包括但不限于固化缺陷、焊接宏觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的硬區(qū)/軟區(qū)、從液相到固相的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、多孔性、開裂、不均勻性和不可預(yù)測(cè)的微觀結(jié)構(gòu)、易腐蝕性、工件變形以及工件基底材料屬性的損失。通常需要焊后操作來(lái)修補(bǔ)變形或非破壞性地評(píng)價(jià)焊接，并增加了工藝成本。此外，如果沒有遵循適當(dāng)?shù)陌踩襟E的話，則存在與六價(jià)鉻和錳的暴露以及潛在的對(duì)操作員的視網(wǎng)膜傷害相關(guān)的健康問(wèn)題。在很多場(chǎng)合中，必須增大工件的尺寸，以使用低強(qiáng)度的基底材料，與被認(rèn)為不可焊接的強(qiáng)度較高的材料相比，該強(qiáng)度較低的基底材料被認(rèn)為是可焊接的。當(dāng)前的由低強(qiáng)度鋼制造的汽車車身就是這種情況。在框架構(gòu)造中可使用高級(jí)的高強(qiáng)度鋼(兩相鋼和trip鋼)，以顯著地降低車重，但是這些材料由于可熔焊性問(wèn)題而沒有被使用。
摩擦攪動(dòng)焊接(FSW)是相比于熔焊方法具有很多優(yōu)點(diǎn)的固態(tài)焊接工藝。圖l是用于摩擦攪動(dòng)焊接的工具的立體圖，該工具的特征在于大體圓柱形的工具10，工具10具有肩部12和從肩部12向外延伸的銷14。銷14靠著工件16旋轉(zhuǎn)，直到產(chǎn)生足夠的熱，此時(shí)將工具的銷塞入塑化的工件材料中。工件16通常為在結(jié)合線18處對(duì)接在一起的兩個(gè)片材或板材。銷14在結(jié)合線18處塞入工件16中。盡管這種工具已經(jīng)公開在現(xiàn)有技術(shù)中，但要說(shuō)明的是，該工具能夠用于新的用途。還應(yīng)注意，在本文中將可互換地使用術(shù)語(yǔ)"工件"和"基底材料"。
銷14靠著工件材料16的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所引起的摩擦熱使工件材料軟化而不達(dá)到熔點(diǎn)。工具10沿著結(jié)合線18橫向移動(dòng)，從而隨著塑化材料在銷周圍從前沿流到后沿而產(chǎn)生焊縫。結(jié)果在結(jié)合線18產(chǎn)生固相結(jié)合20，與其它焊縫相比，固相結(jié)合20基本上與工件材料16本身區(qū)分不出來(lái)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)肩部12接觸工件的表面時(shí)，肩部12的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生附加的摩擦熱，該摩擦熱使插入的銷14周圍較大的圓柱形材料塑化。肩部12提供容納由工具銷14引起的向上的金屬流的鍛造力。
在摩擦攪動(dòng)焊接過(guò)程中，待焊接的區(qū)域和工具相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)，使得工具橫向移過(guò)期望長(zhǎng)度的焊接接縫。旋轉(zhuǎn)的摩擦攪動(dòng)焊接工具提供連續(xù)的熱加工作用，在沿著基底金屬橫向移動(dòng)時(shí)使金屬在狹窄區(qū)域內(nèi)塑化，同時(shí)將金屬?gòu)匿N的前沿面運(yùn)送到其后沿面。在焊縫區(qū)域冷卻時(shí)，通常不存在固化，因?yàn)樵诠ぞ呓?jīng)過(guò)時(shí)沒有液體產(chǎn)生。通常情況是產(chǎn)生的焊縫是沒有缺陷的、再次結(jié)晶的、并且在焊縫區(qū)域中形成細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，但不總是這樣。
在旋轉(zhuǎn)速泉為200 rpm至2000 rpm的情況下，行進(jìn)速度通常為10 mm/min至500 mm/min。所達(dá)到的溫度通常接近但低于固相線溫度。摩擦攪動(dòng)焊接參數(shù)是材料的熱屬性、高溫流動(dòng)應(yīng)力以及穿入深度的函數(shù)。
一些發(fā)明人先前的專利如美國(guó)專利No. 6,648,206和6,779,704已經(jīng)給出了以下有益效果的教導(dǎo)即能夠利用以前被認(rèn)為在功能性上不能進(jìn)行焊接的材料來(lái)進(jìn)行摩擦攪動(dòng)焊接。這些材料中的一些是不可熔焊的，或者完全難以進(jìn)行焊接。這些材料包括例如金屬基復(fù)合物、如鋼和不銹鋼的鐵合金，以及不含鐵材料。另一類同樣能夠利用摩擦攪動(dòng)焊接的材料是超級(jí)合金。超級(jí)合金可以是具有熔點(diǎn)較高的青銅或鋁的材料，并可具有此外混入的其它元素。超級(jí)合金的一些例子為鎳、鐵-鎳以及通常在1000華氏度以上的溫度下使用的鈷基合金。在超級(jí)合金中通常含有的附加元素包括但不限于鉻、鉬、鵠、鋁、鈦、鈮、鉭和錸。
還應(yīng)注意，短語(yǔ)"摩擦攪動(dòng)處理"也可與固態(tài)處理互換地使用。固態(tài)處理在這里定義為暫時(shí)地轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔ２话ㄒ合嗟乃芑癄顟B(tài)。然而，應(yīng)當(dāng)注意， 一些實(shí)施例允許一種或多種元素經(jīng)歷液相，并仍然獲得本發(fā)明的有益效果。
在摩擦攪動(dòng)處理中，使工具銷旋轉(zhuǎn)并將其塞入待處理的材料中。該工具橫向移動(dòng)跨過(guò)材料的處理區(qū)域。這是使材料在固態(tài)處理中經(jīng)
歷塑化的作用，該固態(tài)處理能夠使正被改變的材料具有不同于原始材料的屬性。
摩擦攪動(dòng)焊接的主要缺點(diǎn)是在焊縫端部處留在工件中的剩余孑L。這在很多場(chǎng)合都不是問(wèn)題，因?yàn)榭稍诤缚p的端部處使用脫落片
(run off tab)并在隨后將其移除。隨著焊接的進(jìn)行，能夠使用可收回的銷以消除端部孔；然而，工具和設(shè)備的需求是廣泛的且耗費(fèi)高的。也能夠使用使得工具在摩擦攪動(dòng)焊接期間能夠從焊縫處逐漸抽回來(lái)的工具幾何形狀，但對(duì)已有的焊縫增加的處理時(shí)間及增加的熱循環(huán)增加了成本并降低了基底金屬的屬性。
當(dāng)前正試驗(yàn)性地使用摩擦攪動(dòng)點(diǎn)焊(FSSW)以搭接焊構(gòu)造來(lái)連接先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼。如美國(guó)專利申請(qǐng)20050178817所述，摩擦攪動(dòng)點(diǎn)焊正商業(yè)性地用來(lái)搭接焊接鋁部件。當(dāng)前有兩種方法正在使用。
第一種方法涉及到將銷工具(由銷和肩部構(gòu)成的摩擦攪動(dòng)點(diǎn)焊工具)塞入工件中，直至工件被摩擦點(diǎn)焊在一起。該方法的缺點(diǎn)在于如圖2所示由銷留下的孔26。工件28之間的結(jié)合是在工具肩部的下方實(shí)現(xiàn)的，而銷孔則降低了焊縫的強(qiáng)度。
第二種方法涉及到迫使材料回到銷孔中的設(shè)備的設(shè)計(jì)(美國(guó)專利6,722,556)。由于大的心軸頭、固定需要以及進(jìn)行點(diǎn)焊所需的載荷，該方法是非常有問(wèn)題的。
能夠提供使用部分自耗的工具來(lái)利用鉚釘以迅速而經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行摩擦攪動(dòng)點(diǎn)焊的系統(tǒng)和方法，對(duì)連接金屬工件的領(lǐng)域的現(xiàn)狀將會(huì)是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面，提供一種摩擦攪動(dòng)工具以利用能夠至少部分自耗的銷來(lái)進(jìn)行摩擦攪動(dòng)鉚接，其中所述銷包括位于其底表面上的切削邊緣，其中所述工具以使所述銷能夠切入到與第二材料疊置的第 一材料中的第 一速度旋轉(zhuǎn)，其中在所述銷已經(jīng)切入到足夠的深度后，工具的轉(zhuǎn)速升高，從而能夠塑化所述自耗銷、第一材料以及第二材料，其中所述工具然后迅速降低速度直至停下來(lái)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所述銷、第一材料以及第二材料之間的擴(kuò)散結(jié)合。在對(duì)下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)描述進(jìn)行了審閱之后，對(duì)本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員，本發(fā)明的這些和其它目的、特征、優(yōu)點(diǎn)及替代方面將 變得顯而易見。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的能夠在高熔點(diǎn)材料上進(jìn)行摩擦攪動(dòng)焊接的已 有摩擦攪動(dòng)焊接工具的立體圖。
圖2是如在現(xiàn)有技術(shù)中利用摩擦攪動(dòng)點(diǎn)焊(FSSW)完成的三個(gè) 焊縫的輪廓圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理構(gòu)建的能夠進(jìn)行摩擦攪 動(dòng)鉚接的旋轉(zhuǎn)工具的立體圖。
圖4是圖3中的工具的輪廓圖，其中自耗銷完全穿透兩個(gè)工件。
圖5是具有中央孔的工具的切開輪廓圖，該中央孔用于多節(jié)段 銷，以用于進(jìn)行迅速的摩擦攪動(dòng)鉚接。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的原理制造的多節(jié)段自耗銷的 立體圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照附圖，在附圖中對(duì)本發(fā)明的各種元件給定數(shù)字標(biāo)號(hào)并 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行論述，以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠作出并使用本發(fā) 明。應(yīng)當(dāng)理解，下面的描述僅僅是對(duì)本發(fā)明原理的示例，且不應(yīng)被視 為使權(quán)利要求的范圍變窄。
在本發(fā)明的第一方面，使用一種新穎的方法來(lái)解決很多前面提 到的連接問(wèn)題。 一種旋轉(zhuǎn)摩擦攪動(dòng)鉚接工具形成本發(fā)明的摩擦攪動(dòng) 鉚接連接方法的基礎(chǔ)，該旋轉(zhuǎn)摩擦攪動(dòng)鉚接工具具有非自耗肩，該 非自耗肩與能夠拆卸且能夠至少部分自耗的銷相結(jié)合。該銷能夠全 部消耗或部分消耗。圖3示出了如何構(gòu)建所述工具的示例。
圖3示出了具有肩部區(qū)域32和能夠拆卸且能夠至少部分自耗的 銷34的摩擦攪動(dòng)鉚接工具30。在該特定實(shí)施例中，所述能夠拆卸且能夠至少部分自耗的銷34包括小的間隙36。該小間隙36是通過(guò) 銷34的銷徑小得多的部分42形成的。銷34的該小銷徑部分42將 會(huì)斷裂。小間隙36使得銷34的能夠拆卸的部分38能夠保持嵌入在 工件內(nèi)作為鉚釘。還應(yīng)注意的是，銷34的非拆卸部分40還可以是 另一個(gè)銷節(jié)段的頂部，這將在后面進(jìn)行說(shuō)明。
利用圖4作為示例，對(duì)于利用本發(fā)明的該第一實(shí)施例的工具的 摩擦鉚接鋼或其它金屬，使工具30在使得該工具的銷34能夠?qū)⒌?一工件材料50加工掉、從而在其中形成孔54的速度下旋轉(zhuǎn)。能夠 對(duì)銷34的端部增設(shè)裝置，以便于加工出期望的孔。例如，在該第一 實(shí)施例中示出了切削裝置44。
優(yōu)選但不是必需的，孔54的深度56完全延伸穿過(guò)第一工件材 料50并至少部分地進(jìn)入第二工件材料52中。
應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，孔54可以僅僅部分延伸到第 一工件材料50中；完全穿過(guò)第一工件材料50但不進(jìn)入第二工件材 料52中；完全穿過(guò)第一工件材料50但僅僅部分地進(jìn)入第二工件材 料52中；或者基本穿過(guò)第一工件材料50和第二工件材料52兩者。 一旦制出了初始孔54之后，工具30然后可根據(jù)所理解的摩擦攪動(dòng) 鉚接的原理使銷34產(chǎn)生期望的穿透水平。銷34可完全延伸穿過(guò)第 一工件材料50和第二工件材料52兩者，或者可完全延伸穿過(guò)第一 工件材料但僅僅部分地延伸到第二工件材料中。同樣，這取決于用 戶的應(yīng)用。
在該第一實(shí)施例中， 一旦孔54的深度56已經(jīng)如圖4所示延伸 到第二工件52中，則工具30的轉(zhuǎn)速降低，以在銷30和正被連接在 一起的第一工件材料50和第二工件材料52之間產(chǎn)生熱?？墒贡３?住工具30并使其旋轉(zhuǎn)的心軸(未示出)立即停下來(lái)，或降低速度直 至使工具旋轉(zhuǎn)所需的扭矩超過(guò)較小銷徑部分42的剪切強(qiáng)度。較小銷 徑部分42被設(shè)計(jì)成在指定的扭矩下將銷34的可拆卸部分38從工具 30上剪切下來(lái)。
在該第一實(shí)施例中， 一旦銷34的可拆卸部分38已經(jīng)從工具30 剪切下來(lái)，那么工具便收回，且能夠用新的銷34來(lái)進(jìn)行更換。留在 第一工件材料50和第二工件材料52中的銷34或鉚釘?shù)目刹鹦恫糠?8是摩擦焊接到工件中的。不僅在第一工件材料50和第二工件材 料52之間的工具肩部下方存在結(jié)合，在銷34或鉚釘周圍也存在結(jié) 合。
在如圖5所示的本發(fā)明的替代性實(shí)施例中，工具60具有穿過(guò)中 央軸線設(shè)置的孔62。孑L 62使得多節(jié)段銷64 (這里示出具有被較小 直徑銷部72分開的三個(gè)節(jié)段)能夠根據(jù)需要插入和穿過(guò)孔62。多 節(jié)段銷64包括具有較小直徑銷部72的多個(gè)間隙66。然后可使用一 些類型的柱塞機(jī)構(gòu)68來(lái)推動(dòng)多節(jié)段銷64穿過(guò)工具60并穿出工作端 70。當(dāng)多節(jié)段銷64的各個(gè)節(jié)段斷裂時(shí)，柱塞機(jī)構(gòu)68向下推動(dòng)多節(jié) 段銷64穿過(guò)孔62，直至銷64暴露出足夠部分以用于下一個(gè)摩擦攪 動(dòng)鉚接過(guò)程。這樣，能夠?qū)⒍鄠€(gè)鉚釘插入工件中而無(wú)需使多節(jié)段銷 64停下來(lái)并重新進(jìn)行裝載。
多節(jié)段銷64中能夠使用的節(jié)段的數(shù)目不應(yīng)被認(rèn)作限于三個(gè)。圖 5僅僅是用于示例的目的。在多節(jié)段銷64上能夠設(shè)置更多個(gè)節(jié)段。 節(jié)段的數(shù)目也可取決于工具60的長(zhǎng)度和柱塞機(jī)構(gòu)68的長(zhǎng)度。
提供圖6以示出能夠用于自動(dòng)和迅速的摩擦攪動(dòng)鉚接工藝的多 節(jié)段銷64。多節(jié)段銷64的節(jié)段是同軸的，使得這些節(jié)段能夠設(shè)置 在穿過(guò)摩擦攪動(dòng)鉚接工具60的中央軸線的孔中。
用于形成具有能夠在本發(fā)明中使用的肩部的工具的材料可從一 些發(fā)明人制造的工具中找到，這些工具能夠用來(lái)在摩擦攪動(dòng)焊接的 固態(tài)連接過(guò)程期間將諸如鋼和不銹鋼的高熔點(diǎn)材料連接在一起。
該技術(shù)涉及到使用特殊的摩擦攪動(dòng)焊接工具?？衫弥T如多晶 立方氮化硼(PCBN)和多晶鉆石(PCD)的材料來(lái)形成肩部?？?包括的其它材料為諸如鎢、錸、銥、鈦、鉬等的耐火材料。
能夠利用本發(fā)明的原理連接起來(lái)的工件包括其熔點(diǎn)比青銅和鋁 高的材料。這類材料包括但不限于金屬基復(fù)合物、如鋼和不銹鋼的 鐵合金、不含鐵材料、超級(jí)合金、鈦、通常用于表面硬化的鈷合金、 空氣硬化鋼或高速鋼。然而，本發(fā)明也可以使用在被認(rèn)為是不包括 在上述較高熔點(diǎn)的定義內(nèi)的所有其它熔點(diǎn)較低材料的材料上。
工具30的肩部32可由多晶立方氮化硼或類似描述的能夠防止 該肩部附著于第一工件50并提供優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和抗磨損性能的材料制成。可使用數(shù)種肩部構(gòu)造來(lái)形成鉚釘頭的形狀，或者甚至在
銷34已經(jīng)摩擦焊接到工件50、 52中之后將鉚釘頭切掉。
用于銷34的材料通常為能夠在摩擦攪動(dòng)鉚接過(guò)程中消耗掉的材 料。這些材料優(yōu)選地加強(qiáng)第一工件材料和第二工件材料之間的結(jié)合， 并且對(duì)摩擦攪動(dòng)焊接領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是熟知的。
本發(fā)明的替代性實(shí)施例包括應(yīng)當(dāng)同樣被認(rèn)為是重要要素的多個(gè) 方面。第一，可在銷34將被插入作為鉚釘?shù)囊欢松鲜褂枚喾N切削結(jié) 構(gòu)或輪廓?？墒褂寐菪锌谳喞嫒鐖D3所示的裝置作為替代的 切削結(jié)構(gòu)。
在另 一個(gè)替代性實(shí)施例中，可使諸如氬或二氧化碳的惰性氣體 流過(guò)工具30的中央，以防止摩擦攪動(dòng)鉚接期間的氧化。
在另 一個(gè)替代性實(shí)施例中，可利用本發(fā)明的摩擦攪動(dòng)鉚接工藝 將多于兩個(gè)的工件連接起來(lái)。因此，將相應(yīng)地調(diào)整銷34的節(jié)段長(zhǎng)度。
在另一個(gè)替代性實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)注意到，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，被連 接起來(lái)的工件可以是相同的或不同的材料。
與此類似，在銷中使用的材料可以是與工件不同的材料，與工 件中至少一個(gè)相同的材料，或者是與所有工件都相同的材料。
銷的輪廓可以大為不同。銷輪廓可以是錐形、六角形，或?qū)?zhí) 行切削加工和摩擦攪動(dòng)鉚接過(guò)程的任何期望形狀。所述形狀很可能 取決于多個(gè)方面，如期望的結(jié)合特性或使用的各種材料的強(qiáng)度。
在另一實(shí)施例中，銷也可以是中空的。該銷可以呈桿或絲線的 形式，并穿過(guò)工具的中央自動(dòng)地進(jìn)給。當(dāng)銷使用正方形形狀時(shí)，便 允許來(lái)自工具的扭矩被傳遞到銷或鉚釘。然而，其它的扭矩傳遞輪
廓也是可以使用的。即便是圓形也可以用于銷，只要銷材料的外徑 上的夾緊力或夾緊機(jī)構(gòu)足以當(dāng)施加旋轉(zhuǎn)力時(shí)防止銷在工具內(nèi)滑動(dòng)。
銷或鉚釘可以具有多種硬度或硬度分布，以有助于穿過(guò)工件。
工具能夠在1 RPM至10， 000 RPM范圍內(nèi)的RPM值下運(yùn)行到 特定的位置或載荷值。
工具可以與熔焊點(diǎn)焊相同的構(gòu)造運(yùn)行。例如，勝于使用焊接尖 端呈C形夾具構(gòu)造的夾緊，可在機(jī)器人端部的C形夾具中放置小直徑的旋轉(zhuǎn)工具(圖3 )。該C形夾具構(gòu)造也可手動(dòng)使用。
所述銷可在"頭部"上具有緊固件，因此可在該位置使用機(jī)械 連接。例如，摩擦鉚釘?shù)亩瞬靠删哂新菁y桿，在工件已經(jīng)結(jié)合起來(lái) 后，該螺紋桿留下來(lái)，伸出工件之上。然后可使用螺母將另一部件 連接到工件上。
摩擦攪動(dòng)鉚接工藝的一些優(yōu)點(diǎn)包括但并不應(yīng)被視為限于迅速 的固態(tài)連接工藝；低的能量輸入工藝要求；由于固態(tài)工藝而具有低 殘余應(yīng)力；不像傳統(tǒng)鉚接那樣必須要預(yù)鉆孔；減少或消除了工件的 變形；不像在摩擦攪動(dòng)電焊中那樣在工件中留有孔；能夠在有限的 區(qū)域中使用該工藝；Z軸力與當(dāng)前抵抗點(diǎn)焊所需的力相當(dāng)；肩部與 銷的比值大小可以設(shè)定成產(chǎn)生特定的熱分布，以使連接強(qiáng)度最優(yōu)化； 能夠使用抗腐蝕的銷材料；由于該工藝是在升高的溫度下完成的， 所以銷或鉚釘?shù)臉?gòu)造未發(fā)生屈服，并將具有更強(qiáng)的吸能特性；為了 更大的強(qiáng)度，銷或鉚釘材料可以優(yōu)于工件材料；以及鉚釘或銷能夠 使用在開裂的端頭處，以防止裂紋在工件中進(jìn)一步擴(kuò)散。
通常情況是使用比結(jié)合在一起的材料硬的材料來(lái)制造銷。然而， 銷可以較軟，但被施以足夠大的力被足夠快地推動(dòng)；可使用它來(lái)連 接較硬的工件材料。
本發(fā)明的另一方面是選擇將從工件中的孔中切出的和由銷形成 的材料清除。 一種清除所述材料的方法是使用啄食運(yùn)動(dòng)。工具的啄 食運(yùn)動(dòng)也可與流體流相結(jié)合以清除材料。所述流體可以是可壓縮的 或不可壓縮的，包括氣體、空氣、薄霧和水。
如前所述，本發(fā)明能夠用來(lái)將不同的材料連接起來(lái)，而不限于 三體(兩個(gè)工件和一個(gè)銷)構(gòu)造。能夠同時(shí)將多層材料連接在一起。 任何數(shù)量的材料都可結(jié)合，只要這些材料經(jīng)受的溫度梯度比結(jié)合在 一起的材料的熔點(diǎn)小。
工具的表面行進(jìn)速度的范圍應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為從每分鐘0.1 mm至每 分鐘10 m。工具的轉(zhuǎn)速可在1 rpm至100,000 rpm范圍內(nèi)變化。
可在工具上、被連接的工件上或者工具和工件兩者上使用涂層。
本發(fā)明的工具可以是復(fù)合式工具，如具有立方氮化硼肩部，或具有比被結(jié)合材料高或低的模量的不同材料的工具。
被結(jié)合的材料的硬度應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包括洛氏硬度A標(biāo)、B標(biāo)和C 標(biāo)上的所有材料。
本發(fā)明的銷的切削邊緣可具有任何合適的切削幾何形狀。因此， 可在銷上包括任何裝置，這些裝置使得意在引起結(jié)合的切削、加熱、 以及切削并加熱能夠進(jìn)行。銷也還可是帶螺紋的。因此，銷不必具 有切削的幾何形狀。替代性實(shí)施方式使用對(duì)銷進(jìn)行加熱而在其它工 件材料中或穿過(guò)這些其它的工件材料形成孔或孔隙。
本發(fā)明能夠在多個(gè)平面上進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合，包括沿軸向以及在所 產(chǎn)生的孔的側(cè)部處擴(kuò)散結(jié)合。
應(yīng)當(dāng)理解，上述設(shè)置僅僅是對(duì)本發(fā)明原理的應(yīng)用的示例。本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員能夠在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出大 量的修改和替代設(shè)置。所附權(quán)利要求意在涵蓋這些修改和設(shè)置。
權(quán)利要求
1. 一種利用設(shè)置在摩擦攪動(dòng)鉚接工具中的能夠至少部分自耗的銷將至少兩個(gè)工件擴(kuò)散結(jié)合在一起的方法，所述方法包括以下步驟(1)將至少兩個(gè)工件疊置起來(lái)；(2)提供具有能夠至少部分自耗的銷的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中所述能夠至少部分自耗的銷包括位于其工作端上的切削裝置，該切削裝置適于切入到所述至少兩個(gè)工件中的至少第一工件中；(3)使所述工具旋轉(zhuǎn)，以使所述能夠至少部分自耗的銷的切削裝置能夠在所述至少第一工件中切入到期望的深度；(4)使所述摩擦攪動(dòng)鉚接工具以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而能夠塑化所述能夠至少部分自耗的銷和所述至少兩個(gè)工件；以及(5)使所述摩擦攪動(dòng)鉚接工具以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所述能夠至少部分自耗的銷和所述至少兩個(gè)工件的擴(kuò)散結(jié)合。
2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，切入到至少第一工件中的所述 步驟進(jìn)一步包括切入到所述第二工件材料中的步驟。
3.如權(quán)利要求l所述的方法，其中，將所述至少兩個(gè)工件疊置起來(lái) 的所述步驟進(jìn)一步包括將多個(gè)工件疊置起來(lái)的步驟。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括構(gòu)造所述 能夠至少部分自耗的銷的步驟，使其具有能夠斷裂的直徑較小部分，從 而將所述能夠至少部分自耗的銷的一部分留在所述至少兩個(gè)工件中。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括以下步驟(1) 沿著所i^f擦攪動(dòng)鉚接工具的中央軸線形成孔；以及(2) 將所述能夠至少部分自耗的銷設(shè)置在所述孔內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括如下步驟: 形成所述能夠至少部分自耗的銷，4吏得其形狀防止所述能夠至少部分自 耗的銷在所i^f擦攪動(dòng)鉚接工具旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括如下步驟 提供夾緊機(jī)構(gòu)以防止所述能夠至少部分自耗的銷在所述摩擦攪動(dòng)鉚接 工具旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括如下步驟 將所述能夠至少部分自耗的銷設(shè)置成通過(guò)直徑較小的銷節(jié)段聯(lián)接起來(lái) 的多個(gè)同軸的節(jié)段。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括提供柱塞機(jī) 構(gòu)的步驟，其中在所述多個(gè)同軸節(jié)段中的各節(jié)M擦攪動(dòng)鉚接到所述至 少兩個(gè)工件中之后，所述柱塞機(jī)構(gòu)推進(jìn)所述多個(gè)同軸節(jié)段穿過(guò)所述孔。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括以下步驟 使所述摩擦攪動(dòng)鉚接工具以第 一速度旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行對(duì)至少 一個(gè)工件的切 削；使所i^f擦攪動(dòng)鉚接工具以較高的速度旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行摩擦攪動(dòng)鉚接； 以及使所述摩擦攪動(dòng)鉚接工具以低速旋轉(zhuǎn)或停下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散結(jié) 合。
11. 一種利用自耗銷將多個(gè)工件摩擦攪動(dòng)鉚接在一起的方法，所述 方法包括以下步驟(1) 提供具有自耗銷的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中所述自耗銷包括 位于其工作端上的切削裝置；(2) 使所述自耗銷靠著所述多個(gè)工件旋轉(zhuǎn)，以形成穿過(guò)工件的孔;(3) 使所述自耗銷以不同的速度旋轉(zhuǎn)，從而能夠塑化所述自耗銷 和所述多個(gè)工件；以及(4)停止所述自耗銷的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)所述自耗銷與所述多個(gè)工 件的擴(kuò)散結(jié)合。
12. —種摩擦攪動(dòng)鉚接工具，所述工具包括 具有非自耗肩的柄部；自耗銷，該自耗銷設(shè)置在沿著所述非自耗肩的中央軸線的孔內(nèi)，其 中所述自耗銷包括使所述自耗銷的一部分能夠斷開的直徑較小的銷部；其中，防止所述自耗銷在所述柄部旋轉(zhuǎn)時(shí)在所述非自耗肩中的孔內(nèi) 旋轉(zhuǎn)；并且其中，所述自耗銷包括位于其工作端上的切削裝置。
13. 如權(quán)利要求12所述的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中，所i^擦攪動(dòng) 鉚接工具進(jìn)一步包括由適于與所述自耗銷所鉚接的工件材料擴(kuò)散結(jié)合 的材料構(gòu)成的自耗銷。
14.如權(quán)利要求12所述的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中，所M擦攪動(dòng) 鉚接工具進(jìn)一步包括完全穿過(guò)所述柄部設(shè)置到所述非自耗肩的孔；和柱塞機(jī)構(gòu)，該柱塞^I設(shè)置在所述柄部的與所述非自耗肩相反的一 端處，其中所述柱塞機(jī)構(gòu)將所述自耗銷推向所i^f擦攪動(dòng)鉚接工具的工 作端。
15.如權(quán)利要求12所述的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中，所^擦攪動(dòng) 鉚接工具進(jìn)一步包括形成為具有非圓形橫截面的自耗銷，從而防止所述 自耗銷在所^擦攪動(dòng)鉚接工具旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
16.如權(quán)利要求12所述的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中，所^擦攪動(dòng) 鉚接工具進(jìn)一步包括位于所i^擦攪動(dòng)鉚接工具上的夾緊機(jī)構(gòu)，從而防止所述自耗銷在所iLf擦攪動(dòng)鉚接工具旋轉(zhuǎn)時(shí)旋轉(zhuǎn)。
17.如權(quán)利要求12所述的摩擦攪動(dòng)鉚接工具，其中，所述自耗銷進(jìn)一步由多個(gè)自耗節(jié)段構(gòu)成，其中所述多個(gè)自耗節(jié)段被直徑較小的銷部分開，所述直徑較小的銷部能夠斷開，從而將所述多個(gè)自耗節(jié)段的節(jié)段留在工件中。
全文摘要
提供一種摩擦攪動(dòng)工具以利用能夠部分自耗的銷來(lái)進(jìn)行摩擦攪動(dòng)鉚接，其中所述銷包括位于其底表面上的切削邊緣，其中所述工具以使得能夠通過(guò)所述銷切入到與第二材料疊置的第一材料中的第一速度旋轉(zhuǎn)，其中在所述銷已經(jīng)切入到足夠的深度后，工具的轉(zhuǎn)速升高，從而能夠塑化所述自耗銷、第一材料以及第二材料，其中所述工具然后迅速降低速度直至停下來(lái)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所述銷、第一材料以及第二材料之間的擴(kuò)散結(jié)合。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101466492SQ200780021953
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者喬納森·A·巴布, 拉塞爾·J·斯蒂爾, 斯科特·M·帕克, 肯特·科科寧, 邁克爾·P·邁爾斯 申請(qǐng)人:史密斯國(guó)際有限公司;高級(jí)金屬制品有限公司;布萊阿姆青年大學(xué)