[发明专利]摩擦搅拌点焊工具和方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及摩擦搅拌点焊的工具和方法，本发明更具体地涉及一 种用于摩擦搅拌点焊的摩擦搅拌点焊工具和方法。

背景技术

摩擦搅拌焊(FSW)是一种使用非自耗(non-consumable)旋转工具 的固态焊接工艺。典型的FSW工具包括圆柱形“台肩(shoulder)”和从台 肩发出的称为“针(pin)”的另一圆柱形区。此工艺通过将旋转工具插入 到将被接合的工件开始直到台肩与工件的表面完全接触。然后将工具保持 数秒钟，在该数秒钟内，通过摩擦和塑性变形的耗散来加热在工具周围的 材料。这之后，工具沿指定路径移动(traverse)。通过移置在针的周围的 热材料，从而消除接合工件的交接面而形成焊接。一旦完成期望的焊接行 程，工具停止移动，并收回工具。这被称为线FSW并被认为是一种稳态工 艺，在这种稳态工艺中工具达到稳态温度如，平接FSW，搭接FSW。

与摩擦搅拌线焊接相反，摩擦搅拌点焊(FSSW)是一种瞬态工艺， 其中执行点焊所需的时间如此短，以至于工具没有达到稳态温度。FSSW 通过在两个重叠的金属板之间形成冶金结合而固定两个板。点焊的强度明 显取决于结合面积。因此，摩擦搅拌点焊的关键方面是工具的几何结构和 焊接工艺参数。

对于金属材料来说，薄氧化膜时常出现在材料的表面上。在焊接期间， 由于工具穿透到底部板内，工件交接面向上弯曲，因而形成了“钩形物” 行(破碎的表面氧化物的阵列)。在钩形物的端部处，氧化物颗粒被分散， 从而导致重叠的板的部分冶金结合。钩形物的几何结构与工具穿透被接合 的两个板的交接面的体积有关。氧化物在焊接带内的出现降低了结合区的 整体性，因此当焊接受到外部载荷时由于沿钩形物行产生失效(裂纹扩展) 而显著地降低了焊接强度。

以下参照图5，示出了使用具有圆柱形针的传统的摩擦搅拌点焊工具 的点焊的横截面放大图。点焊用于将顶部金属板20固定到底部金属板22。 顶部金属板20包括在其底部的薄金属氧化物层26，类似地，底部金属板22 包括在其顶部的薄金属氧化物层24。

在使用具有圆柱形针的工具的传统的摩擦搅拌点焊操作中，圆柱形针 插入两个板的交界面，以使得针形成在两个板20和22之间延伸的锁眼28。 在将圆柱形针插入工件交界面期间，垂直钩形物行32开始形成并继续上升 直到针达到其预定插入深度。然而，由于圆柱形针的轴对称的几何结构， 已经发现这种垂直钩形物不能通过进一步旋转工具而被破坏(分散)。此 外，当台肩插入到顶板的表面内时，钩形物仅在径向方向上向外移动。因 此，使用圆柱形针，钩形物32总是出现在搅拌带，这就使得当使用传统的 圆形针工具时，板20和22之间的焊接的整体性降低。

使用具有圆柱形针的传统的摩擦搅拌焊接工具，钩形物的高度h_c相对 较大，使得顶板20的有效厚度t_c，即，钩形物32的顶部与顶板20的上表面 之间的厚度相对较小。当焊接样品受到外部载荷时(如，当测试焊接的强 度时)，因为由顶板提供的对外部载荷的抵抗非常小，所以焊接失效将沿 着钩形物行产生然后通过顶板。这主要是由于顶板20的有效厚度t_c仅具有 提供对外部载荷的抵抗的几何特征，并且由于t_c非常薄，很容易想到利用 圆柱形针完成的焊接强度将非常低。这就是为什么需要开发一种几何结构 更好的工具，其中使钩形物的高度最小化并增加顶板的有效厚度从而提高 接合强度。

发明内容

本发明提供了一种摩擦搅拌点焊工具和使用此点焊工具的方法，其克 服了现有已知工具和方法的上述缺点(如在搅拌带内出现连续氧化物层和 高度较大的钩形物)。

与现有已知的摩擦搅拌点焊工具相似，本发明的点焊工具包括杆轴 (shank)，所述杆轴具有旋转轴线，普通的回转驱动机械绕其轴线可旋转 地驱动所述杆轴。邻近杆轴的一个边的台肩的横截面形状基本上为圆形， 并且在摩擦搅拌点焊操作期间，台肩在工件内插入到预定深度。