[发明专利]高速摩擦搅拌焊接

说明书

本申请要求享有我们于2008年7月9日提交的序列号为61/079388的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明的领域是摩擦搅拌焊接（friction stir welding）。

背景技术

摩擦搅拌焊接（FSW）是新兴的熔合各种材料的方法，并与常规焊接方法相比具有很多优点。FSW是概念简单的且典型地不需要使用任何填料金属或助熔剂。因此，能够获得具有最佳机械特征的全强度结合。而且，由于摩擦搅拌焊接是在该材料的熔点之下发生的固态熔合工艺，因此即使不能完全避免，也能够降低与热影响区、不希望的晶粒生长、收缩和/或变形相关的问题。仍进一步，在大多数情况中FSW不需要焊接后处理。甚至更有利地，FSW提供了将所选的不相似金属连接起来以及将金属和热塑性聚合物连接起来的有效可靠方法。在美国专利号5,460,317和5,794,835中描述了示例性的FSW系统和方法。这些和此处讨论的所有其他外来材料都通过引用整体引入。

在实施中，旋转工具（最通常是非消耗性的工具（NCT））以恒定的角速度旋转并压入由第一和第二基础材料形成的预期的焊接接头线中。在大多数情况中，该工具沿该接头线以恒定的速度横向运动，该NCT和该第一和第二材料之间的摩擦热将该材料塑化，所述材料然后被迫位于该工具周围。该工具的横向运动使得该混合的材料（搅拌区）形成固态接头（焊缝）。在操作过程中，待结合的该第一和第二基础材料通常相对于彼此保持在固定的位置以允许适当熔合。

尽管FSW与很多常规焊接方法相比提供了很多优点，但由摩擦搅拌焊接形成的焊缝的稳定性和完整性都是数种工艺参数的函数，所述工艺参数可以显著改变该固态熔合的机械性质。由于关于一种或多种参数对于在两种材料之间形成稳定焊缝的特定贡献所知甚少，因此可靠和可复制的焊缝形成通常依赖于反复试验，并且多个可能的决定因素将通常阻碍获得基础理论工艺设计。因此，已经采取了多种不同方法以提高焊缝完整性。例如，如在美国专利号6,050,475中所报道的那样，已经描述了用于对该工具进入该材料的向下力的控制的系统和方法作为一种重要参数。类似地，如在美国专利号7,216,793中所公开的那样，将测力传感器与该工具可操作连接以使得能够监控行进负荷并将其保持恒定以有助于提高焊缝质量。在其他已知的方法中，如美国专利号7,275,675中所示，使用特定的工具几何形状来改进该塑化过的材料的摩擦和运动。可替代地，在美国专利号5,829,664和WO 99/39861中报道了改进的工艺和焊缝控制，其中将至少一个工件预热。不幸的是，尽管这些已知的装置和方法都往往提高FSW的某些方面，但通常会引起其他困难。例如，力控制系统和方法常常受困于相对低的横向焊接速度，特定的工具设计典型地限制了能够施加的横向力，这导致缓慢的焊接速度。另一方面，在用外部加热器预热或加热材料的情况中，由于膨胀、不利的过热等可能遭遇困难。

而且，已经发现摩擦搅拌焊接通常仅对于相对软的或非铁的材料（例如铝、镁、铜、锌和铅合金）具有接受度和实际用途，因为这些材料在较低温度变成塑性的。然而，碳钢或不锈钢的摩擦搅拌焊接的应用已经受到缺乏能够承受焊接这种较硬材料所需的高的温度和压力的适合的工具材料的限制。仅最近以来，包括多晶立方氮化硼（PCBN）和/或多晶金刚石（PCD）的工具已经允许FSW用于较硬的材料。

例如，通过降低最高温度并将冷却速度降低到低于临界冷却速度下限，如Scripta Materialia， 第56卷, 第7期, 2007年4月, 637-640页中所述，已经使用FSW焊接了某些碳钢材料（此处是S70C碳钢）。不幸的是，横向速度过低（1～4 英寸/min）。类似地，报道了使用钨工具成功FSW了某些不锈钢材料（Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 38卷第10期, 829-835页 (2007)），但是在1000rpm的情况下横向速度又被限制到1.5～4英寸/min。更进一步地。

因此，即使FSW在结合各种材料中具有光明的前景，但仍存在多种问题和担心。因此，需要确定关键的FSW工艺参数以得到并优化具有可预测的、合意的完整性和稳定性的焊缝，尤其是在焊接钢材料的情况下。

发明内容