[发明专利]金属材料用搅拌摩擦焊方法及由此获得的金属材料焊接体

说明书

技术领域

本发明涉及用于纵向地焊接在端部的截面中具有复杂（即，杂乱）形状部分的对接金属部件的搅拌摩擦焊技术，更具体地涉及搅拌摩擦焊方法和由该方法制造的金属材料焊接体。

背景技术

近年来，已经发展了搅拌摩擦焊（FSW）技术并且在实际使用中取代熔接和钎焊技术作为用于接合由金属制成的被焊部件的新技术。

搅拌摩擦焊是固相接合技术，其中被焊部件在没有熔化的情况下被搅拌、软化和塑化。在搅拌摩擦焊中，与熔接（熔化接合）和钎焊（液相-固相反应接合）方法中基材中的热应变和强度降低相比，作为被焊部件的金属部件能够在基材中具有较少的热应变和较少的强度降低的情况下接合在一起。因此，有利地减少了由焊接中的热变形或焊接部的氧化引起的焊接故障。

搅拌摩擦焊是如下接合技术：被称作FSW工具（以下称为焊接工具）的圆柱形或圆筒形的接合工具在高速旋转的同时压抵被焊部件，被焊部件被搅拌、软化并且塑化从而借助于焊接工具与被焊部件之间产生的摩擦热接合在一起。

在通常的搅拌摩擦焊中，如在专利文献1（日本特开2011-101891号公报）和专利文献2（日本特开2011-101890号公报）中公开的那样，由于搅拌摩擦焊的焊接原理以及焊接工具的形状，可焊接形状限于平面或缓和的曲面。如果被焊部件具有诸如有角形、小圆弧形以及台阶形等复杂形状部分，则通过通常的搅拌摩擦焊技术难以将被焊部件对接并且纵向地焊接在一起。

此外，如图1（图1A、图1B）和图2所示，在对具有诸如外筒部等复杂形状部分的被焊部件进行搅拌摩擦焊时，被焊部件1（1a和1b）的焊接面（对接面）2通过根据部件的复杂形状部分（角部）3划分的多个焊接工序焊接。

然而，在搅拌摩擦焊技术中，通过搅拌、熔融、软化以及熔化被焊部件1（1a和1b）而获得的搅拌摩擦焊接部4没有形成在被焊部件1的整个对接面2上，并且在复杂形状部分3中残留着未焊接部分（没有被焊接的部分）5。在被焊部件1（1a和1b）中，如图3所示，在各焊接工序之后，焊接工具6的针孔7还残留在焊接终端部中，或者在复杂形状部分（角部）3中形成并且残留有未焊接部分5。在这种焊接过程中，尽管通过对焊部件1（1a和1b）提供了具有角形状的金属材料焊接体8，但是在焊接体8中的有应力集中的应力集中部的部件表面中残留有针孔或未焊接部分。

专利文献3（日本特开2006-239720号公报）还公开了一种使用如图4A和4B所示的双作用型搅拌摩擦焊设备9的焊接方法作为搅拌摩擦焊技术中用于消除金属材料焊接体8中的针孔7的方法。该焊接方法通过以下方式执行。双作用型搅拌摩擦焊设备9使用分别独立地升降轴肩部9a和针部9b的升降装置。在焊接过程之后，将针部9b从针孔7拔起，同时将轴肩部9a下推至作为工件的被焊部件1（1a和1b）中。由此使工件材料塑性地流入针孔7中从而填充针孔7。

此外，专利文献4（日本特开2011-121090号公报）公开了一种用于接头结构的搅拌摩擦焊技术，其中作为具有复杂形状部分的金属部件之间的焊接示例，由金属制成的待焊接空心部件通过防止由于工具载荷等引起的变形而被对焊在一起。

然而，在专利文献3公开的搅拌摩擦焊技术中，当被焊部件1a和1b具有大的焊接深度时，需要将轴肩部9a下推得更深以填充针孔7。因此，尽管针孔7变浅，但是残留了具有较大直径的轴肩孔7a。针孔7可能导致更大的强度降低。此外，在专利文献4的搅拌摩擦焊技术中，需要在一个被焊部件上形成突起，并且单独地在另一被焊部件上设置通过接收突起来支承突起的支承件，以维持被焊金属部件的可成形性。

如上所述，在传统的搅拌摩擦焊技术中，当被焊部件借助于焊接工具对接并且纵向地焊接在一起时，在焊接终端部中残留针孔或具有较大直径的轴肩孔，并且在复杂形状部分（角部）中形成并残留未焊接部分，由此提供了弱的焊接强度，获得了不充分的机械强度和物理强度，并且使外观品质劣化，因此是不利的。

为了在将被焊金属部件对焊在一起的时候抑制变形并且维持可成形性，还需要预先单独地另外将突起形成至一个被焊部件，并且将装配突起的突起用支承件形成至另一被焊部件。因此，由于对焊部具有杂乱（复杂）的形状，所以通过传统的方法难以加工被焊部件的对焊部（接头），并且该加工是耗时的。

发明内容

考虑到上述情况作出本发明，本发明的目的是提供如下用于金属材料的搅拌摩擦焊方法以及由此制造的金属材料焊接体，其能够通过在将被焊部件对接并且纵向地焊接在一起的搅拌摩擦焊过程中消除复杂形状部分附近的针孔和未焊接部分来改善对焊的焊接强度和焊接品质。