[发明专利]摩擦点焊和摩擦缝焊

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年1月22日提交的美国临时专利申请No.61/849,224、2013年4月30日提交的美国临时专利申请No.61/817,510和2013年6月26日提交的美国临时专利申请No.61/839,562的申请日的权益。以上引用的临时专利申请中的每一个据此以其全文以引用的方式并入本文。

领域

本发明涉及用于将第一材料层点焊到至少一个附加材料层的系统和方法，并且涉及用于将第一材料层搭接缝焊到至少一个附加材料层的系统和方法。

背景

点焊方法

用于在两种或更多种材料之间获得搭接接缝的当前已知的方法包括搅拌摩擦点焊、电阻点焊、激光点焊、各种电弧焊接工艺、超声波焊接和铆接。

图1A-1D描绘了搅拌摩擦点焊(FSSW)(搅拌摩擦焊接(FSW)的分支)的过程。如图所示，典型的FSSW顺序包括(A)突进、(B)旋转和(C)缩回。在图1D中示出通过FSSW方法产生的典型的搅拌摩擦点焊的横截面图像。如图所描绘，FSSW焊接通过不可避免地保留在焊接熔核中心的孔(在销被抽出时留下)来表征。已经发现，该孔由于腐蚀和其它问题而限制焊接组件的寿命。FSSW的“再填充模式”变体使用了由销、肩部和外夹组成的工具以使得能够捕获在突进顺序期间挤出的闪光材料。随后使所捕获的闪光材料沉积回出口孔中以形成与顶表面齐平的焊缝。虽然“再填充模式”消除了出口孔，但使用“再填充模式”产生的焊接表现出与常规FSSW焊接相比较差的抗疲劳性能。目前，仅将FSSW工艺应用于具有低熔融温度的材料诸如铝镁合金。用于焊接较硬的材料诸如钢、不锈钢、镍基合金等的FSSW工艺的使用由于工具材料的高成本而受限。

虽然电阻点焊不受与FSSW方法相关的孔形成问题的影响，但常规的电阻点焊既表现出物理缺陷(例如，孔隙和裂缝)，又表现出冶金缺陷(例如，显微偏析和相位变换)。具有高的碳当量的钢典型地需要进行附加的焊后退火处理。不同金属点焊的一些组合可能破裂。另外，需要更多的能量来完成对表现出高导电性的金属(诸如铜和铝合金)的电阻点焊。

常规的激光点焊技术导致在形成于材料之间的接缝中尤其是在铝合金中产生孔隙，并且高强度材料(例如，钢)由于快速冷却将会破裂。另外，常规激光设备成本较高。电弧焊接工艺诸如气体保护钨极电弧点焊、气体金属电弧点焊、微束等离子电弧点焊等既表现出物理缺陷(例如，孔隙和裂缝)又表现出冶金缺陷(例如，显微偏析和相位变换)。超声波点焊典型地限于厚度小于1mm的薄片材料。常规的铆接方法产生机械结合而不是冶金结合。通过所述铆接方法产生的接缝与通过其它常规方法产生的接缝相比较重并且具有相对较差的性能。

缝焊方法

通常，将其中工件充分重叠以防止薄片边缘成为焊缝的一部分的接缝分类为搭接缝焊缝。可以将常规的搭接缝焊工艺分类为基于熔化的(包括电阻缝焊、激光束焊接、电子束焊接、等离子弧焊接、硬钎焊和软钎焊)和基于固态的(包括超声波焊接和轧制结合)。通过常规的基于熔化的方法所产生的搭接缝焊缝通常存在各种各样的问题，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。破裂、熔融金属的排出和不清洁的工件表面都能引起有缺陷的电阻缝焊缝。超声波缝焊的局限性包括不能焊接大而厚的基底金属以及基底金属结合到铁砧或超声焊极的趋势。轧制结合(冷轧结合和热轧结合)涉及热处理。金属诸如钛和合金由于它们的反应性和窄的工作温度范围而难以轧制结合。

通常，包覆是指填充金属沉积在基体金属上以赋予耐腐蚀特性、耐磨损特性或基体金属所不具有的一些所需特性。可以将常规包覆工艺分类为基于熔化的(包括电弧焊接工艺、软钎焊、电子束焊接和激光束焊接)和固态焊接工艺(包括爆炸包覆、摩擦堆焊和轧制结合)。通过常规的基于熔化的方法所产生的包层金属通常存在各种各样的问题，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。在所述基于熔化的包层金属中可能存在高的稀释比例(基底金属在包层金属中的量)。在沉积电弧包覆工艺(诸如工业中广泛使用的埋弧)中，稀释比例典型地非常高。爆炸包覆典型地限于具有最小韧性的金属。摩擦堆焊由于其不能以较少的时间产生较大的包层面积而受限。轧制包覆(冷轧包覆和热轧包覆)涉及热处理。金属诸如钛和合金由于它们的反应性和窄的工作温度范围而难以轧制包覆。