[发明专利]摩擦搅拌焊接工具、相关方法、以及形成为包括摩擦搅拌焊缝的组件

说明书

本申请公开了摩擦搅拌焊接工具、相关方法、以及形成为包括摩擦搅拌焊缝的组件。描述了用于产生摩擦搅拌焊缝的工具、形成摩擦搅拌焊缝的方法、以及诸如包括摩擦搅拌焊缝的电子设备的组件。

技术领域

本发明涉及用于产生摩擦搅拌焊缝的工具、形成摩擦搅拌焊缝的方法、以及诸如(但不限于)包括摩擦搅拌焊缝的电子设备的组件。

背景技术

摩擦搅拌焊接是一种可用于通过牢固的永久金属结合(即焊接)来连接两个或多个单独的金属件的方法。该方法包括以高速旋转搅拌摩擦焊接工具并使工具在压力下在工件的边缘之间形成的接合部处接触。通过旋转的工具引入到接合部处的材料中的机械搅拌和摩擦热形成焊缝。通过沿着接合部移动旋转的工具来产生纵向接合部。

摩擦搅拌焊接可用于制造无数金属产品，这些金属产品由包括形成需要焊接的接合部的两个相邻金属件的工件或部件制成。作为单个非限制性示例，摩擦搅拌焊接可用于制造电子设备，诸如数据存储设备(例如，硬盘驱动器或HDD)、固态存储器、微电子设备和计算机(例如，个人计算机、手机、平板设备、笔记本电脑等)。

为了提高许多电子设备的可靠性，将它们的电子部件放置在可以封闭或密封以便防止水分、气体和微粒接触这些部件的金属外壳内。外壳可以非常紧密地密封，例如气密密封，以便产生组成稳定的内部气氛并防止其他气体进入或离开内部。一些气密密封的电子设备(例如，硬盘驱动器)的外壳可以被填充有非空气气氛，例如低密度气氛(例如氦气)，作为改善设备性能的方式。在低密度环境中操作硬盘驱动器有各种好处。硬盘驱动器HDD中的低密度气氛(相对于空气，例如氦气气氛)能减少影响旋转盘或紧密间隔的旋转盘的堆叠的阻力的量。减少的阻力量能显著减少导致盘或盘堆叠旋转所需的功率量。而且，低密度(例如氦气)气氛能减少在使用期间可能在旋转盘和盘悬架中发生的不希望的非旋转运动或“颤动”的量。减少盘或盘悬架的不希望的运动可以允许盘堆叠的相邻盘更紧密地放置在一起，这通过实现更窄的数据轨道间距从而增加了面密度(可以存储在盘表面的给定区域上的信息位数量的度量)。氦气的有效热传导还可以允许降低设备的操作温度，并且更低密度的气体(相对于空气)可以产生更少的声学噪声。由于降低了湿度、降低了其他腐蚀性气体和污染物的水平，并且由于气氛对高度和外部压力变化的敏感性降低，因此在气密密封的外壳中包含非空气气氛的硬盘驱动器的可靠性也能得到提高。

更一般地，除了制造电子设备的密封外壳之外，摩擦搅拌焊缝还可用于许多目的。在商业规模上，为了使摩擦搅拌焊缝成为将两个金属件焊接在一起的可选方法，摩擦搅拌焊接工艺必须高效、经济、可靠，并且必须生产出耐用且美观的高质量焊缝，意味着焊缝表面光滑，最好没有毛刺。当在气密密封的外壳上产生焊缝时，该焊缝必须是高度不透气的。需要将两个金属件焊接在一起的方法的制造商正在不断追求新的和改进的焊接工具和焊接方法。

发明内容

摩擦搅拌焊接是一种已知可用于焊接金属的各种应用的技术。参见例如美国专利号8,016,179和9,536,572，这些文献的全部内容通过引用并入本文。然而，已知摩擦搅拌焊接技术具有某些操作限制，并且应理解为并非对于需要两个单独金属件之间的焊缝的每种情况都必定有效或高效。摩擦搅拌焊接技术可用于焊接每个具有一定最小厚度的两个金属件，例如具有至少最小厚度的两个金属件，且这两个厚度接近相同。摩擦搅拌焊接不一定可靠或成功地用于将两个相对较薄的金属件焊接在一起，或者将具有相对薄的尺寸的第一金属件与具有相对较大厚度的第二金属件焊接在一起。

此外，即使摩擦搅拌焊接方法通常都有效，这些焊缝也可能容易在焊缝的成品表面上出现毛刺。当通过包括工具的高旋转速度和(在形成焊缝时沿着接合部的长度的工具)的高平移速度的过程形成摩擦搅拌焊缝时，特别可能形成毛刺，当在包括相对薄的材料的工件上形成摩擦搅拌焊缝时，通常需要高旋转速度和高平移速度的每一个。焊缝表面上的毛刺，特别是如果毛刺是尖锐的，由于很明显，因此是不希望的。这里使用的术语“毛刺”在焊接和金属切割领域中具有其共同含义，并且是指在焊接步骤期间形成并且保持在所焊接的工件的焊接区域处、例如焊缝边缘处的表面处的材料的突起或薄脊(通常是尖锐的)。