[发明专利]利用摩擦搅动处理技术的三体连接

说明书

相关申请 

本申请要求2006年6月13日提交的美国专利申请No.60/804628以及2006年6月23日提交的美国专利申请No.60/816396的所有主题的优先权，并通过参考的方式将其并入。 

技术领域

本发明总的来说涉及摩擦搅动连接方法。更具体而言，本发明是一种利用具有能够至少部分自耗的销的自耗摩擦搅动工具将金属工件连接在一起的方法，其中所述销具有在以第一速度旋转时切入第一工件材料的切削边缘。在至少切入第一工件材料足够的深度后，工具的转速发生变化，以引起销自身塑化，并使第一工件材料和第二工件材料连接起来。在第一工件材料、第二工件材料以及销被充分加热后，工具的旋转迅速减速或完全停止，以使销和第一工件材料以及第二工件材料能够结合起来。在本文中将该过程称作摩擦搅动铆接。 

背景技术

存在多种用于将金属工件连接在一起的方法；这些方法中的一些包括焊接、点焊、紧固件(如螺钉和螺栓)和摩擦搅动焊接等。支配所有连接方法的三个基本原理包括机械连接、熔接(熔焊)以及固态连接(摩擦焊接)。每种原理技术都具有优点；然而，针对应用场合而通常选择的方法由具有最少的可容许缺点的技术决定。机械式工件连接方法的例子包括螺钉、螺栓和螺母、燕尾榫、模锻、铆接以及过盈连接等。因此螺纹的承载能力有限、多个部件和组件的成本高、必须设置在工件中的孔和/或紧固件所需的空间的成本，很多场合都不能使用螺钉或螺栓。燕尾榫和其它工件锁定方法在特定的方向上锁定，但在其它的方向上则能够滑动或旋转分离。在任 何机械紧固件中，铆钉或许具有单位面积和体积上的最大连接强度，但是铆钉头的机械变形降低了吸能能力和延展性。 

当机械方法不是可以接受的连接技术时，使用熔焊方法，除非认为工件是不可焊接的。例如，由7000系铝制成的航空器部件被认为是不可焊接的，因为产生的焊接强度低达基底金属属性的50％。诸如钢、不锈钢和镍基合金的高熔点材料(HMTM)是能够焊接的，但是连接强度受限于与熔焊相关的问题。这些问题包括但不限于固化缺陷、焊接宏观结构内的硬区/软区、从液相到固相的转变产生的残余应力、多孔性、开裂、不均匀性和不可预测的微观结构、易腐蚀性、工件变形以及工件基底材料属性的损失。通常需要焊后操作来修补变形或非破坏性地评价焊接，并增加了工艺成本。此外，如果没有遵循适当的安全步骤的话，则存在与六价铬和锰的暴露以及潜在的对操作员的视网膜伤害相关的健康问题。在很多场合中，必须增大工件的尺寸，以使用低强度的基底材料，与被认为不可焊接的强度较高的材料相比，该强度较低的基底材料被认为是可焊接的。当前的由低强度钢制造的汽车车身就是这种情况。在框架构造中可使用高级的高强度钢(两相钢和trip钢)，以显著地降低车重，但是这些材料由于可熔焊性问题而没有被使用。 

摩擦搅动焊接(FSW)是相比于熔焊方法具有很多优点的固态焊接工艺。图1是用于摩擦搅动焊接的工具的立体图，该工具的特征在于大体圆柱形的工具10，工具10具有肩部12和从肩部12向外延伸的销14。销14靠着工件16旋转，直到产生足够的热，此时将工具的销塞入塑化的工件材料中。工件16通常为在结合线18处对接在一起的两个片材或板材。销14在结合线18处塞入工件16中。尽管这种工具已经公开在现有技术中，但要说明的是，该工具能够用于新的用途。还应注意，在本文中将可互换地使用术语“工件”和“基底材料”。 

销14靠着工件材料16的旋转运动所引起的摩擦热使工件材料软化而不达到熔点。工具10沿着结合线18横向移动，从而随着塑化材料在销周围从前沿流到后沿而产生焊缝。结果在结合线18产生固相结合20，与其它焊缝相比，固相结合20基本上与工件材料16本身区分不出来。

发现当肩部12接触工件的表面时，肩部12的旋转产生附加的摩擦热，该摩擦热使插入的销14周围较大的圆柱形材料塑化。肩部12提供容纳由工具销14引起的向上的金属流的锻造力。 

在摩擦搅动焊接过程中，待焊接的区域和工具相对于彼此运动，使得工具横向移过期望长度的焊接接缝。旋转的摩擦搅动焊接工具提供连续的热加工作用，在沿着基底金属横向移动时使金属在狭窄区域内塑化，同时将金属从销的前沿面运送到其后沿面。在焊缝区域冷却时，通常不存在固化，因为在工具经过时没有液体产生。通常情况是产生的焊缝是没有缺陷的、再次结晶的、并且在焊缝区域中形成细晶粒微观结构，但不总是这样。