[发明专利]用于摩擦搅拌焊接的部件和系统以及相关工艺

说明书

本文中描述了用于摩擦搅拌焊接的工具和系统，包含冷却和夹紧系统。还公开了用于将铝金属，在一些情况下是厚规格铝金属，与其它金属进行摩擦搅拌焊接的工艺参数。所述工具和工艺参数可用于运输、电子、工业和机动车应用，仅仅是举了几个例子。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月22日提交的美国临时专利申请第62/377,721号的权益，所述临时专利申请的全文据此以引用的方式并入。

技术领域

本发明涉及金属焊接，尤其是摩擦搅拌焊接。

背景技术

摩擦搅拌焊接（被称为“FSW”）是一种将例如铝合金片或板的第一金属连接到例如钢、铜、镍或其它金属片或板的第二金属的方法。片/板被软化，但不熔化，所软化的金属和/或合金通过搅拌而机械地混合，并通过施加来自FSW工具的压力而连接，以使金属片或板互锁。

在制造和各种应用中，铝合金越来越多地替换钢和其它金属。铝合金使用的增加会需要铝合金零件的较广泛的特性，例如较厚的规格。将铝合金与钢或其它金属连接是有挑战性的，尤其是在连接较厚的规格时。

发明内容

如本文档中所使用的术语“本发明（invention/the invention/this invention/the present invention）”旨在广泛地是指本专利申请和以下权利要求书的所有主题。含有这些术语的陈述应被理解为不限制本文中所描述的主题或不限制以下专利权利要求书的含义或范围。本发明的涵盖实施例是由权利要求书限定，而非由此发明内容限定。此发明内容是本发明的各种方面的高级概述，且介绍了下文在具体实施方式章节中进一步所描述的一些概念。此发明内容既不旨在识别所要求的主题的关键或必需特征，也不旨在单独地用于确定所要求的主题的范围。应参考整个说明书的适当部分、任何或所有附图和每项权利要求来理解主题。

本文中提供用于FSW厚规格、相异和/或其它金属片（即，3.5到8 mm）和板（即，8到16 mm）的工具，所述金属片和板是例如但不限于铝合金和钢、铜、镍或其它金属片和板。如本文中所使用，术语金属包含合金。在一些情况下，FSW工具包含销，销具有通过多个齿而彼此分离的多个平坦表面。在一些情况下，销的尖端是弯曲的/圆顶形的。销从肩部延伸，在一些实例中，肩部可以是凹形的。在一些情况下，肩部的直径相对于销的长度增加。例如，肩部的直径相对于销的长度的比率可大于约2.5:1，例如但不限于约3:1或约3.5:1。

还公开了用于减少FSW中产生的热的系统和方法。在一些情况下，使用散热器，例如但不限于铜砧和/或冷却喷嘴。在一些情况下，所述系统另外或替代地包含夹具以帮助在FSW期间维持金属的位置。

此外，公开了焊接包含厚规格金属的相异金属而没有缺陷或具有最小化缺陷的方法。在一些情况下，所述方法产生具有分层金属间混合和强互锁的FSW连接部，而不会在接合部处形成较厚（例如，< 2 μm）金属间层。

附图说明

图1是根据一个实例的FSW工具的透视图。

图2是图1的工具的示意性侧视图，所述工具被示出为嵌入到两种金属中。

图3是根据一个实例的用于FSW的组件的俯视透视图。

图4是FSW期间产生的焊瘤的数字图像。

图5是根据另一实例的用于FSW的组件的俯视透视图。

图6是根据一个实例的用于FSW的系统的冷却喷嘴的特写侧视透视图。

图7是根据实例的具有厚度减小区域的金属板的数字图像。

图8是根据一个实例的变形金属板的数字图像。