專利名稱：摩擦攪拌焊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連接金屬元件的摩擦焊的方法，更具體地涉及一種摩擦攪拌焊(friction stir welding)，它基于在較硬材料的摩擦頭和要連接的元件之間的相對的摩擦運(yùn)動而進(jìn)行焊接。本發(fā)明還涉及在摩擦焊方法中用的改進(jìn)的工具。
摩擦焊基于要焊接物件的摩擦產(chǎn)生足夠的熱量，因而在相鄰的表面產(chǎn)生塑性化的狀態(tài)的原理，這是公知的，已實(shí)踐了幾十年，摩擦熱只由要連接的兩元件產(chǎn)生。但是，由于使用的方法使最終的焊縫具有一些缺點(diǎn)。限制摩擦焊應(yīng)用的主要缺點(diǎn)是至少其中一個要焊接的元件必須是軸對稱的。因此，這種方法不能用于例如要求提供縱向連續(xù)焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。
WO 93/10935公開了由摩擦焊改型的摩擦攪拌焊。在該方法中用了比要處理的工件更硬的材料制的摩擦頭(第三物體)。摩擦攪拌焊是基于在摩擦頭與工件間的相對的周期運(yùn)動，把摩擦頭與工件推壓在一起，由于產(chǎn)生的摩擦熱而在工件中產(chǎn)生一個塑性區(qū)，然后停止相對的周期運(yùn)動，使塑性材料凝固。因此沒有由于要焊接的元件之間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生的熱量。通過不同工件材料(塑料，金屬材料)，應(yīng)用(修到裂縫、密封、連接)和應(yīng)用的摩擦頭實(shí)施例的一些實(shí)例說明了該方法。
當(dāng)把擠壓型材連成關(guān)鍵場合使用的結(jié)構(gòu)時，沒有一種上述的方法及裝置可以符合沒有孔洞及有合適的結(jié)構(gòu)零件的冶金連接的高質(zhì)量的整體焊縫，也不能提供搭接的焊縫結(jié)構(gòu)。
為了得到焊接金屬合適的連接，在整個焊接操作中(向前運(yùn)動)，摩擦頭底部(肩部)必須保持與要連接的元件的表面緊密的接觸。如果在向前運(yùn)動中，即使摩擦頭肩部暫時從表面升起，在摩擦頭后面會有少量塑性的焊接材料擠出，會由于沒有材料充填擠出的材料造成的空間而產(chǎn)生孔洞。
另外，由于使用現(xiàn)有技術(shù)已知的“光滑的”焊接摩擦頭會產(chǎn)生一些問題，也就是焊接速度要低以便得到材料足夠的摩擦熱(在摩擦頭與連接元件之間的足夠接觸時間)，以保證塑性化的焊接材料的充分流動。
因此本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的摩擦攪拌焊接方法，其能保證沒有孔洞且有光滑表面的高質(zhì)量的整體焊縫。
本發(fā)明的另一個目的是改進(jìn)現(xiàn)有的摩擦攪拌焊接方法，能提供搭接焊縫及三個或三個以上元件連接起來的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明再一個目的是提供一種新型的摩擦頭，它能得到均勻的焊縫，具有小的熱影響區(qū)。
通過權(quán)利要求1-7限定的摩擦攪拌焊接方法及裝置(摩擦頭)，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述和其它目的。
通過下面參照附圖對本發(fā)明的詳細(xì)說明，可以明白本發(fā)明的上述和其它的目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，附圖中

圖1是本發(fā)明應(yīng)用的焊接裝置/方法的示意的透視圖；圖2是兩元件摩擦頭的放大的局部剖視圖；圖3是示意示出本發(fā)明新型的摩擦攪拌焊接的特點(diǎn)的視圖；圖4是示出在焊接和轉(zhuǎn)動速度及在摩擦頭上加的壓力之間理想的關(guān)系的曲線圖；圖5a-e是所提供焊縫的不同類型的示意的局部的透視圖。
參照附圖，特別見圖1，一個非自耗的摩擦頭1包括一個轉(zhuǎn)動的圓柱體2，它的上部22和一個動力源，例如一個發(fā)動機(jī)(圖中未示出)相連，其底部設(shè)有一分離的銷24，它用來把端對端放置的兩元件(金屬板)3，4連接(焊接)起來。在壓力下把摩擦頭1插入兩元件3，4之間并轉(zhuǎn)動，以便在摩擦頭1沿著端對端放置的兩元件移動過程中，提供適當(dāng)?shù)哪Σ翢峒訜釋雍缚p5。
圖2更清楚地示出組合的兩部分的摩擦頭1的專門的新型結(jié)構(gòu)，摩擦頭的底部23和所用的銷24的外形(結(jié)構(gòu))，其中轉(zhuǎn)動圓柱體2的底部23顯示有四面，而銷24的外表面沿著縱軸線方向設(shè)有交替的突起及凹下的部分。
雖然在銷的外表面可用一般的螺紋，可改善焊接的質(zhì)量，但在摩擦頭的銷的一個最佳實(shí)施例中，表面結(jié)構(gòu)(如圖示)最好包括垂直設(shè)置并從銷的中部側(cè)面突起的兩個或更多的分離的突片25。
用這種新型的銷提供的焊縫的顯微結(jié)構(gòu)顯示了具有最小的金屬紊流的，由連接的兩元件的連結(jié)的塑性段組成的牢固的接合。
所用的摩擦頭1的組合設(shè)計與以前已知的摩擦頭的整體設(shè)計相比，包括一分離的摩擦頭的銷，它具有一些優(yōu)點(diǎn)。首先工具(摩擦頭)可調(diào)整銷的插入深度，這樣使處理有靈活性。第二，銷可以方便地在不同的工具單元之間更換，適宜于焊接各種壁厚的元件。
這種新型工具及改進(jìn)的摩擦攪拌焊接的新特點(diǎn)可通過圖3示出的摩擦頭及焊接過程的示意圖理解，圖3中W表示焊接元件的厚度，ω-焊接速度，R-凹形的摩擦頭肩部的曲率半徑，F(xiàn)-加在摩擦頭上的向下的力(壓力)，rs-摩擦頭的肩部半徑，t-肩部進(jìn)入焊縫材料的切入深度。
摩擦頭1的凹形底面23顯示相對與上述銷24的螺紋結(jié)構(gòu)結(jié)合的焊接面的結(jié)線有些傾斜，這樣保證了塑性化的材料是垂直及橫向被驅(qū)動進(jìn)入焊接區(qū)，因此在穿過焊接剖面的不同水平間交換金屬。摩擦頭肩部的凹形對焊接元件的表面提供一定的非對稱的壓縮，導(dǎo)致金屬的垂直流動/交換。這一點(diǎn)與銷的外形使金屬作水平運(yùn)動結(jié)合導(dǎo)致得到高質(zhì)量的無孔洞的焊縫。
圖4示意地示出了在能確保具光滑表面，牢固的無孔洞不同轉(zhuǎn)動速度下施加在摩擦頭上的向下壓力 和焊接速度ω(mm/min)之間的理想關(guān)系。實(shí)際的理想的壓力/焊接速度值取決于一些因素，例如連接元件用的材料(Al合金)，摩擦頭肩部的幾何尺寸等。
用具有不同尺寸的摩擦頭進(jìn)行的一些焊接試驗(yàn)表明相應(yīng)于連接元件的實(shí)際壁厚的摩擦頭的肩部直徑的減小除了可增加焊接度外對提供的接縫/焊縫的質(zhì)量有好的作用。
因此把摩擦頭肩部直徑從20mm減到15mm，進(jìn)一步減小到10mm，應(yīng)用到合金6082.50的3mm厚的擠壓平板，允許地焊接速度從0.3m/min提高到0.8m/min，可得到高質(zhì)量的無孔洞焊縫并減小了熱影響區(qū)(HAZ)。這是減小了熱的輸入，及熱量集中在焊縫附近，可增加焊接速度及減少施加在摩擦頭上的向下力，得到?jīng)]有變形的焊接結(jié)構(gòu)的綜合結(jié)果。
限定摩擦頭肩部的半徑(rs)和焊接元件的壁厚(W)之間的理想關(guān)系的簡單公式如下5W2≥rs≥W2]]>摩擦頭的材料比要焊接的工件/元件硬，典型地用于鋁合金元件的焊接，可以用在高溫下有很好的強(qiáng)度的材料，例如熱鍛模具鋼，高速鋼或金屬陶瓷材料。
圖5a-e以局部透視圖示意地示出用本發(fā)明的方法及摩擦頭提供的各種焊縫，其中圖5a示出普通的對接焊縫，圖5b示出兩元件之間T形斷面的連接，圖5c是搭接焊縫，圖5d示出三元件構(gòu)成的T形斷面連接的另一種改型，最后圖5e是兩元件安排成相互成直角的角部焊縫。
因此，本發(fā)明的新的及改進(jìn)的工具設(shè)計允許增加焊接速度，而仍保證產(chǎn)生足夠的摩擦熱。由于焊接材料的每單位體積的接觸/加熱時間延長并且產(chǎn)生的熱更集中于焊縫線，就可得到上述作用。當(dāng)焊接摩擦頭經(jīng)過時，在材料上加上更大的鍛壓力(壓力)。上述作用理想的結(jié)構(gòu)，使得整個焊接剖面是無孔洞的均勻焊縫，因而得到就冶金質(zhì)量及機(jī)械性能言高離質(zhì)量的焊縫。
權(quán)利要求
1.一種連接元件的摩擦攪拌焊接方法，特別用于連接組合的擠壓型材，包括把要組合的元件朝向?qū)Ψ酵萍肮潭ǖ牟襟E，用材料比要連接的元件硬的摩擦頭在轉(zhuǎn)動運(yùn)動下沿著連接線進(jìn)入組合的元件產(chǎn)生摩擦熱使鄰近的元件材料中產(chǎn)生的塑性區(qū)的步驟，其特征在于還包括通過把得到的塑性區(qū)材料沿著連接元件的表面暴露在一垂直壓力下并在垂直方向沿著所述的摩擦頭的銷產(chǎn)生同時發(fā)生的材料流允許在摩擦頭后面使塑性區(qū)材料凝固，而由于與鄰近的組合元件的縱向延伸部分垂直及側(cè)向的增加的塑性材料流保證的最終的焊縫的均勻化的步驟。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的摩擦頭的底部(23)處在與焊接表面的法線稍微偏斜的位置與要連接的元件的相鄰的表面接合。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述的摩擦頭的銷(24)的外部形狀是可以保證塑性區(qū)材料的垂直及橫向流穿過焊接區(qū)的形狀。
4.按照前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，兩個或更多的元件連接成-T形焊接連接。
5.按照權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于所提供的焊縫是搭接焊縫。
6.按照權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所提供的焊縫是把安排成相互成任意角度的兩元件連接起來的角部焊縫。
7.一種用于連接元件的摩擦攪拌焊接的非自耗摩擦頭(1)，包括一可轉(zhuǎn)動的圓柱形主體(2)，其上部(2)與一動力源連接，而底部(23)設(shè)有銷(24)，其特征在于所述的摩擦頭的底部(23)具有凹形表面，連接的銷(24)是具有螺紋表面的，摩擦頭的可更換的零件。
8.按照權(quán)利要求7的摩擦頭，其特征在于，所述的銷設(shè)有至少一對以所述的銷動中部橫的突起的垂直設(shè)置的突片。
全文摘要
一種改進(jìn)的摩擦攪拌焊接方法，其特征在于通過把得到的塑性區(qū)材料沿著連接元件的表面暴露在一垂直壓力下并在垂直方向沿著摩擦頭的銷產(chǎn)生同時發(fā)生的材料流允許在摩擦頭后面使塑性區(qū)材料凝固，而由于與鄰近的組合元件的縱向延伸部分垂直及側(cè)向的增加的塑材流。還提供了一種非自耗摩擦頭，包括一凹形的底部(23)，連著具有螺紋表面的可更換的銷(24)，在一最佳實(shí)施例中，包括兩個或更多的側(cè)向突起的突片。
文檔編號B23K20/12GK1144499SQ95192193
公開日1997年3月5日 申請日期1995年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月28日
發(fā)明者奧勒·泰耶·米德林, 愛德華·詹姆斯·莫利, 安德斯·桑維克 申請人:威爾丁研究院