專利名稱：粉末金屬攪拌摩擦焊工具及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及攪拌摩擦焊工具，更具體地，涉及用于制造此種工具 的材料。
背景技術：
攪拌摩擦焊是這樣一種技術通過該項技術，首先，將旋轉攪拌 摩擦工具的端頭插設入兩個待結合的鄰接金屬構件未焊接的結合部，然后， 該旋轉工具沿該結合部橫穿，使兩個構件的材料充分加熱，以達到塑性狀態(tài) (plastic state),從而導致該塑性材料的沿結合部界面的移位和攪拌，冷卻 后，可形成該兩種材料的冶金焊接。該技術也可用于結合多個金屬構件，通 過該技術，該旋轉工具穿過這些構件中的其中一個，并部分進入到另一個構 件中，然后向前移動以將它們焊接到一起。典型地，攪拌摩擦焊工具被鍛造，然后加工成期望的形狀。例如， 該工具可由期望的金屬合金鑄造，然后進行加工以給予該攪拌摩擦工具期望 的形狀和特征。該制造和拋光工藝會限制用作攪拌摩擦工具的材料的選取， 由此進一步增加了成本和形成該工具的復雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明有關一種由粉末金屬材料制造的攪拌摩擦工具。
本發(fā)明進一步考慮了選取多種材料中的任意材料，以用于該攪拌 摩擦工具的粉末金屬制備。這些材料包括金屬合金、期望組分的摻合物 (blend)或混合物(admixture),以及這些組分的組合。
本發(fā)明進一步考慮了使用高耐磨、高摩擦的組合物材料，例如金 屬陶瓷等，以獲得耐用并且高效的攪拌摩擦工具。本發(fā)明進一步考慮了在加熱之前，對該粉末金屬混合物使用添加 劑，以增強制備效率，并提升該摩擦磨損工具的強度及其它性能。本發(fā)明進一步考慮了在接近環(huán)境壓力下使用熱處理工藝。根據(jù)本發(fā)明進一步的具體特征，該粉末金屬攪拌摩擦工具可經(jīng)處
理，以增強其耐磨和/或摩擦性能。根據(jù)一個具體的實施方式，該粉末金屬攪 拌摩擦工具是鐵基的，并且該攪拌摩擦工具的活動表面或者部分活動表面經(jīng)
蒸汽處理(steam treated),以形成Fe304， Fe304為鐵氧化物的穩(wěn)定形式并依 需要對該粉末金屬攪拌摩擦工具的工作表面或部分工作表面給予了高度耐磨 損以及增強的摩擦性能。根據(jù)本發(fā)明進一步的具體特征，考慮到粉末冶金工藝將會使該攪 拌摩擦工具在材料和/或?qū)傩苑矫嫘纬梢惶荻冉Y構，并因該梯度結構而節(jié)省成 本并提高性能。例如，該攪拌摩擦工具的引導端頭和柱塞部分可由非常堅硬 并且可能成本更高的粉末金屬組合物制造，而該攪拌摩擦工具的摩擦軸肩表 面可由不同材料制造，該材料亦耐磨損但可具有增強的摩擦誘導特性，以最 大化該工具的加熱和攪拌效果。其它的可能性包括形成由一種材料(可能是 用于卡制該工具的低成本材料)形成的攪拌摩擦工具的柄，而該攪拌摩擦工 具的其余的工作自由末端由不同材料制成，二者共同形成或各自形成然后結 合至一起。再一個示例可包括形成一種粉末金屬組合物的攪拌摩擦工具的芯 或中心，而該攪拌摩擦工具的外部或護套由另一種材料制成。應當理解，材 料的組合及其相關配置因數(shù)量巨大而不能一一列舉，因此本發(fā)明意在獲得和 考慮使用粉末冶金以實現(xiàn)攪拌摩擦工具內(nèi)梯度結構的寬泛概念。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明提供了制造攪拌摩擦焊接工具的方法。 該方法包括壓制粉末混合物并將該粉末混合物在環(huán)境壓力而非真空下燒結。 該方法的另一個方面包括在連續(xù)型的熔爐內(nèi)燒結該粉末混合物。該方法的再一個方面包括制備一種摩擦焊接工具，其包括分別地 壓制該工具的至少兩個分離的部分，并將二者彼此結合。該方法的另一個方 面包括燒結各個分離的部分的連接部分。


結合以下詳細描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點及特征將會 更容易地理解，其中圖1是說明攪拌摩擦工具原理的立體示意圖；
圖2是說明摩擦焊接原理的平面示意圖；
圖3是攪拌摩擦焊接工具的端頭末端的放大的部分示意圖； [OOIS]圖4是攪拌摩擦焊接工具的端頭末端的進一步放大示意圖；以及
圖5至9是根據(jù)本發(fā)明組成的不同實施方式的攪拌摩擦工具的橫 截面示意圖。
具體實施例方式在攪拌摩擦焊中， 一帶有成型探針的柱狀的、帶肩部的工具旋轉， 并緩慢插設入鄰接在一起的兩片片材或板材材料之間的連接線。該部分的夾 緊方式使得當該工具插設入該結合部并沿其移動時可防止該相鄰結合表面受 迫分離。在該耐磨損焊接工具和該工件材料之間產(chǎn)生磨擦熱。該熱量使后者 軟化但不達到熔點，并允許該工具沿著連接線橫穿。該塑化材料由該工具的 頭部邊緣(leading edge)轉移到該攪拌針的后沿(trailing edge)，并且同該 銷形狀的攪拌頭軸肩的緊密接觸而被鍛造。當該工具經(jīng)過時，在兩片之間產(chǎn) 生固相結合物。因為產(chǎn)生有容納該攪拌針或端頭的孔，該孔隨后在焊接過程 中被填充，因而該工藝可認為是固相匙孔焊接技術。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明所采用的攪拌摩擦焊工具的攪拌摩擦焊的 大致原理。該攪拌摩擦工具顯示為10，并可包括大致為柱狀的柄12，其確保 工具IO卡制在旋轉工具支持物(圖未示)內(nèi)。工具IO包括工作自由末端14， 其包括從工具10的自由末端14中央突出的柱塞端頭或探針16。與該探針16 的自由末端間隔開的是肩部18。肩部18的表面20 (圖3)和探針16的外部 直徑表面22作為與至少兩個工件24、 26相接觸的功能表面，以實現(xiàn)攪拌摩 擦焊的形成。如上所述，當工具10旋轉時，將探針16插設入工件24、 26之間 的對接的接縫28同時該工件10旋轉。然后工具10以箭頭A方向沿接縫18 向前推進。肩部18的表面20以箭頭B方向受壓，向下抵靠在位于接縫28任一側的工件24、 26的上表面，以在該表面進一步鍛造和攪拌該塑化金屬， 從而橫跨接縫28產(chǎn)生冶金焊接30。圖1和圖2顯示了該工具形成接縫28的 過程及運行。攪拌摩擦焊工具10可呈現(xiàn)多種形狀和特征。圖3和4顯示了工具 IO工作自由末端的一個實施方式?？梢钥闯觯结?6可以不是柱狀，并具 有平面32。本發(fā)明不局限于該端頭16任何具體的形狀和/或尺寸，也不局限 于端頭16上的表面的數(shù)量及形狀。圖3和圖4進一步顯示了具有凹陷的或凹 入的構造的肩部18的表面20。這可在多種材料的攪拌摩擦焊中起到作用， 但是本發(fā)明不局限于肩部18的表面20的任何具體形狀。攪拌摩擦焊工具的 總體配置不局限于所披露的實施方式，該實施方式僅為示例性目的?？梢灶A 期，任何配置為適于攪拌摩擦焊接的攪拌摩擦工具可能當前可用或者能夠在 將來被開發(fā)?，F(xiàn)討論本發(fā)明的具體特征，至少攪拌摩擦焊接工具10的加工自由 末端14由己被壓制并燒結成期望形狀的粉末金屬制造。粉末冶金的一個優(yōu)點 是，它能夠使攪拌摩擦工具接近凈形(net shape)成型為理想的最終工具構 型而不需要對該工具的大量的后期制造加工或二次拋光操作。另一個優(yōu)點是 它能夠從寬泛的材料中進行選擇，而這些材料在鍛造型(wrought)攪拌摩擦 焊工具中可能是不可用的。在圖5的一個示例中，整個攪拌摩擦焊工具10由相同的粉末金屬 材料制造。例如，該工具可由鐵基的預合金化粉末金屬材料制造，例如M2 或H13工具鋼。這些材料被壓制，然后燒結為接近凈形，并可能很少對該工 具使用二次成型拋光。在攪拌摩擦焊工具中使用粉末金屬材料的優(yōu)點在于，該材料的固 有多孔結構相比鍛造材料增加了摩擦系數(shù)。相比鍛造材料，使用粉末材料還 減少了熱傳導率。由于粉末金屬工具比對應的鍛造工具具有較少的熱降效應 (heat sink effect),其可用于在工具/工件界面處保持更多熱量。。可進一步對 該基材料進行處理或更改，以改變其屬性，包括改變摩擦系數(shù)和/或耐磨損性。 例如，工具10的自由末端14可在高溫高壓下經(jīng)蒸汽處理，以有效地氧化并 轉化工具10的暴露表面為Fe304， Fe304為鐵氧化物的高穩(wěn)定形式，該轉化 具有增加鐵基粉末金屬材料基材的耐磨性和摩擦系數(shù)的作用。
本發(fā)明進一步考慮了將可改變摩擦的粉末添加劑與粉末金屬混合
物相混合，以提高該工具加工性能。該添加劑可提高或降低攪拌摩擦焊接工
具10的運動摩擦系數(shù)，從而相應地提高或降低在使用攪拌摩擦焊接工具10 過程中產(chǎn)生的熱量。因此，在使用中，根據(jù)待結合工件24、 26的材料屬性， 工具IO可被有選擇地制備為產(chǎn)生期望量的熱，從而降低工件對工具的粘接， 同時提供期望的焊接性能的工具。該添加劑可在壓制之前添加到該粉末金屬 混合物，然后壓制并在原處燒結。例如，可添加CaF2、 MnS、 MoS2、 BN、 CaC03、氧化硅、氧化鋁、陶瓷、碳化合物、以及其它堅硬的、穩(wěn)定的顆粒， 例如鉬鋼、鐵鎳、鉻和/或tribaloy等添加劑，以增強粉末金屬材料基材的工 作性能。本發(fā)明不局限于任何具體的材料組成，以及，在本發(fā)明的范圍內(nèi)， 意在包括使用粉末冶金以形成攪拌摩擦焊接工具的寬泛概念，而不考慮任何 具體組成。該混合物可使用樹脂注入或其它注入材料填充工具10至少特定部 分的多孔結構，以增強工具IO的工作性能。該注入可包括多種材料，其如上 所述可改變工具10的動力摩擦系數(shù)、熱傳導率、以及工具10的工作性能。 這包括滲入具有比基體粉末金屬混合物熔點低的材料，以填充該粉末金屬材 料的多孔結構。使用粉末冶金還可使工具10的制造者依期望改變工具10不同區(qū) i^內(nèi)的屬性。這可通過單獨的燒結工藝來完成，和/或通過使用不同粉末、合 金、和添加劑的混合物以提供包括多種在工具10內(nèi)呈梯度漸變的微結構相的 微觀結構混合體。例如，微觀結構中硬相(hardphase)、軟相(soft phase) 和碳化物淀析體(carbide precipitates)的結合，可提供在單相結構中不能獲得的 強度、延展、和耐磨屬性。該多種相和特征可包括例如鐵素體(ferrite)、珠 光體(pearlite)、貝氏體(bainite)、馬氏體(martensite)、金屬碳化物、過共 析體(hypereutectoid)禾卩亞共析體(hypoeutectoid)禾口多禾中淀析體。另外，在壓制之前，添加到粉末金屬混合物的燒結輔助添加劑， 可有利于工具IO的制備。該燒結輔助添加劑可通過例如液相、過渡液相、或 增強的固溶體(solid solution)機制，提高工具10的強度及其它屈性，例如 耐磨損、熱屬性。燒結輔助添加劑的一些示例包括但不限于，MoS2，磷或含 磷化合物、硼、鈷、錫、以及增強燒結程度和/或該壓制工具區(qū)域內(nèi)密度的其它材料。如上所述，該工具的選定區(qū)域可用不同的工藝處理，從而改變不
同區(qū)域內(nèi)的材料組成。因此，例如圖6所示，探針或端頭16'由一種^"料制 成，該材料可具有極佳的耐磨損性和高硬度，以使當探針16'進入該材料然 后受迫在壓力和升高的溫度下穿過該材料時經(jīng)受住和探針16'的插入運動有 關的壓力和溫度，而軸肩區(qū)域18'可由另一種材料制造，該材料展現(xiàn)出良好 的耐磨損性，但還展現(xiàn)出高摩擦系數(shù)，以最大化軸肩在攪拌摩擦悍中的攪拌 能力，并且進一步地，如有需要，柄12'可由再一種不同材料制成，其可能 是低端合金的較為便宜但性能較好的材料。圖7是圖6的一種變型，其中工具10"的探針16"和軸肩18"區(qū) 域由一種粉末金屬材料制造，而柄12"由不同的粉末金屬制造。當然，本發(fā) 明考慮到工具10"的加工自由末端14"可以由粉末金屬制造，以實現(xiàn)文中所 描述的多個優(yōu)點，該加工自由末端14"可粘合或通過其它方式結合到工具柄， 該柄不必由粉末金屬制成以降低成本，或依需要為完全由粉末金屬組成的攪 拌摩擦焊接工具提供其它選擇。這也在本發(fā)明的考慮內(nèi)。圖8顯示了攪拌摩擦焊接工具10"'的另外一種漸變的粉末金屬結 構，其中工具10"'的芯34可由一種材料制造，例如高承載、高耐磨的材料， 而在外部層，或護套或外殼36，包括軸肩區(qū)域18"'由不同的耐磨損但是比 用于芯34更高摩擦系數(shù)的材料制造。最后，圖9顯示了另一種攪拌摩擦焊工具10""，其中工具10"" 的多個部分被彼此分別組成，然后彼此燒結結合。由此，該探針16""可由 一種粉末混合物壓制，軸肩18""由另一種粉末混合物壓制，而柄12""由再 一種粉末混合物壓制。此后，各部分16""、 18""、和12""可燒結到一起。 燒結添加劑或其它添加劑也可依需要結合入相應部分的一種或多種粉末混合 物中。應當認識到，必要時彼此分別構成的部分的數(shù)量可以改變，以獲得期 望的工具結構。本發(fā)明的另一個方面包括制備根據(jù)上述實施方式的工具10、 10'、 10"、 10"'、 IO""的方法。該方法包括形成相應工具的不同部分(包括壓制)， 其中各部分由粉末構成，然后將這些部分彼此結合，其中該工具的至少一個 部分被燒結。其中相應部分12、 16和18 (包括其不同實施方式)的相鄰的部分，由粉末壓制，該方法進一步包括在燒結熔爐內(nèi)利用擴散工藝將各個部 分彼此結合。燒結增強添加劑或該燒結工藝也可運用其它技術。應當認識到， 前述工具部分、端頭、軸肩、柄和軸的不同組合，可一體構成或分別構成然 后通過燒結處理結合到一起。該制備工藝的一個方面考慮了燒結可在連續(xù)類
型的熔爐內(nèi)以高于900攝氏度的溫度并在環(huán)境壓力下進行，而不是在真空下
或密閉的腔室壓力容器內(nèi)。已根據(jù)相關的法律標準對前述發(fā)明進行了描述，因此該描述是示 例性而非限制性的。該披露實施方式的多種變形和修正對于本領域的技術人 員而言可能是顯而易見的，其亦應在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明法 定保護的范圍僅由以下權利要求內(nèi)的教導確定。
權利要求
1、一種攪拌摩擦焊工具，其具有由粉末金屬材料制造的焊接端頭。
2、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該焊接端頭包括柱塞探針和軸肩。
3、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該粉末金屬材料是鐵基的。
4、 根據(jù)權利要求3所述的攪拌摩擦焊工具，其中該焊接端頭的至少一部 分包括Fe304氧化物。
5、 根據(jù)權利要求3所述的攪拌摩擦焊工具，其中該鐵基粉末金屬材料與 氧化鋁、碳化物、鉬鋼、鐵鎳、鉻或tribaloy中的至少一種相混合。
6、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該粉末金屬材料是含陶A會n五o
7、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該粉末金屬材料具有漸 變屬性，其中該端頭具有不同于該軸肩的屬性。
8、 根據(jù)權利要求7所述的攪拌摩擦焊工具，其中該端頭具有比該軸肩高 的耐磨損性。
9、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該整個工具由粉末金屬 制造。
10、 根據(jù)權利要求1所述的攪拌摩擦焊工具，其中該工具的端頭和軸肩 區(qū)域由不同材料制造。
11、 根據(jù)權利要求IO所述的攪拌摩擦焊工具，其中該端頭和軸肩區(qū)域彼 此單獨構成。
12、 根據(jù)權利要求11所述的攪拌摩擦焊工具，其中該端頭和軸肩區(qū)域彼 此燒結。
13、 根據(jù)權利要求l所述的攪拌摩擦焊工具，其中該工具的中央芯由不 同于組成外部護套材料的材料制造。
14、 根據(jù)權利要求IO所述的攪拌摩擦焊工具，其中該工具的端頭由該芯 材料制成，并且該軸肩由該護套材料制成。
15、 根據(jù)權利要求l所述的攪拌摩擦焊工具，其中在壓制之前，該粉末 金屬材料的孔隙利用具有低熔融溫度的材料滲入。
16、 根據(jù)權利要求l所述的攪拌摩擦焊工具，其中該粉末金屬材料的孔 隙利用樹脂灌注。
17、 一種制備攪拌摩擦焊工具的方法，包括壓制粉末混合物，以及在大 約非真空的環(huán)境壓力下，燒結該粉末混合物。
18、 根據(jù)權利要求17所述的方法，包括在連續(xù)類型的熔爐中燒結該粉末混合物。
19、 一種制備攪拌摩擦焊工具的方法，包括分別地壓制該工具的至少兩 種不同部分，并將二者彼此結合。
20、 根據(jù)權利要求19所述的方法，包括將所述至少兩種不同部分彼此燒結。
全文摘要
一種攪拌摩擦工具(10)，具有旋轉軸以及由粉末化金屬材料制成的焊接端頭(16)。
文檔編號B22F3/00GK101495258SQ200780025880
公開日2009年7月29日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權日2006年5月23日
發(fā)明者小丹尼斯·克里斯托夫森 申請人:費德羅-莫格爾公司