[发明专利]搅拌摩擦焊接工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接(FSW(friction stir welding))工具、其制造方法以及将两个金属工件焊接在一起的方法。本发明具体地但非排它性地涉及用于将两个由金属合金(例如铝合金)制成的相对较厚的工件焊接在一起的FSW工具，这两个工件预备用在飞行器部件的制造中。

背景技术

搅拌摩擦焊接是一种相对较新的焊接工艺，其背景技术的概要可以在US5,460,317(Thomas等)、US 5,813,592(Midling等)、WO 93/10935(The WeldingInstitute)和WO 95/26254(Norsk Hydro A.S.)中找到，在此以参考的方式全面引入这些专利文献的说明书。通常，术语“搅拌摩擦焊接”可理解成包括其中探头材料比工件材料硬的任何焊接方法，探头材料比工件材料硬造成探头区域中的工件塑化，从而探头有效地进入工件。通常造成探头绕探头轴线转动且沿工件沿要形成的焊缝长度移动。

已经对于FSW工具的形状如何影响焊接过程作了研究。P.A.Colegrove和H.R.Shercliff在“Science and Technology of Welding and Joining 2004”(345-361 of Vol.9，No.4)上发表的标题为“Development of Tri-vex friction stir weld tool”的论文中描述了该项研究。该报告描述了多种工具形状，包括“三平面(Tri-flat)”工具、“三凹面(Tri-flute)”工具和“三凸面(Tri-vex)”工具。三平面工具的特征在于其横截面具有围绕工具轴线等角度设置的三个平面区域，三凹面工具的横截面包括围绕工具轴线等角度设置的三个凹入形状的区域，而三凸面工具的横截面包括围绕工具轴线等角度设置的三个凸出形状的区域。该报告比较了在工具上用于实施FSW焊接必要的负荷，并且推断出三凸面工具的负荷低于三凹面工具的负荷。该报告描述了使用三凸面工具并采用6.2mm的销/探头长度来焊接薄板(具有6.35mm的厚度)。后来使用这种具有三凸面工具形状的FSW工具和20mm的销长度来将20mm厚的工件焊接在一起，实施该试验所产生的焊接接头有缺陷。已经发现，由三凸面工具产生的缺陷尺寸可以通过增大主轴转速来得以改进，但是这会导致接头承受额外的热，从而导致机械性能降低和热影响区变大。

因此看来，使用三凸面FSW工具来连接厚工件并不适于连接飞行器制造中使用的铝合金材料，这是因为生产足够高质量的接头很困难。此外，三凸面FSW工具很昂贵且很难制造，因为在围绕工具周边的三个相应位置需要精确加工的三个凸出形状的表面，然后在所述凸出形状的表面上加工螺纹。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的FSW工具。附加地或可选择地，本发明的一个目的是提供一种FSW工具，它能够在厚工件中产生适用于飞行器制造的质量的焊缝。附加地或可选择地，本发明的一个目的是提供一种FSW工具，与上面提到的现有技术的一种或多种FSW工具相比，它能够产生相同或更好质量的焊缝，但在焊接过程中可降低在FSW工具上的负荷和/或当与使用相应的现有技术FSW工具比较时不会增大接头热量。

根据本发明，提供了一种搅拌摩擦焊接工具，该工具包括：

肩部，以及

从肩部延伸出来的探头，其中，

探头具有至少三个围绕探头的纵向轴线等角度设置的分区，各分区包括至少三个围绕探头的轴线设置的接连设置的基本平面部分，这些平面部分设置成平面部分的法向轴线沿着朝向探头轴线的方向会聚，该探头包括设置在每对相邻的分区之间的螺纹部分。

在试验过程中已经发现，当与上述现有技术的三平面和三凹面形状的工具相比时，根据本发明的实施例的FSW工具能够在20mm厚的板中产生优质的焊缝(适于飞行器主要结构的用途)，且减小了FSW工具上和用来操作工具的FSW机器上的负荷。

根据本发明的FSW工具可具有与现有技术的三凸面FSW工具大体相似的形状，且本发明的工具的各分区的平面部分限定大体凸出的轮廓。本发明不仅能够提供一种承受比现有技术的工具更低负荷的FSW工具，而且能够比现有技术的三凸面FSW工具更容易制造，因为该工具不必在制造过程中加工出凸出的分区。应该意识到，为了使各分区的平面部分限定大体凸出的轮廓，各分区中的平面部分的法向轴线不必会聚在一点；而是，诸法向轴线仅仅有会聚的意思，即当沿着轴线从平面部分的表面朝向探头轴线行进时，每对轴线之间的距离会减小。