[发明专利]摩擦搅拌焊接方法及摩擦头

说明书

本发明涉及连接金属元件的摩擦焊的方法，更具体地涉及一种摩擦搅拌焊(friction stir welding)，它基于在较硬材料的摩擦头和要连接的元件之间的相对的摩擦运动而进行焊接。本发明还涉及在摩擦焊方法中用的改进的摩擦头。

摩擦焊基于要焊接物件的摩擦产生足够的热量，因而在相邻的表面产生塑性化的状态的原理，这是公知的并已实践了几十年，摩擦热只由要连接的两元件产生。但是，由于使用的方法使最终的焊接的元件必须是轴对称的。因此，这种方法不能用于例如要求提供纵向连续焊缝的结构应用。

WO 93/10935公开了由摩擦焊改型的摩擦搅拌焊。在该方法中用了比要处理的工件更硬的材料制的摩擦头(第三物体)。摩擦搅拌焊是基于在摩擦头与工件间的相对的周期运动，把摩擦头与工件推压在一起，由于产生的摩擦热而在工件中产生一个塑性区，然后停止相对的周期运动，使塑性材料凝固。因此没有由于要焊接的元件之间的相对运动而产生的热量。通过不同工件材料(塑料，金属材料)，所用的摩擦头的应用(修复裂缝、密封、连接)和所用的摩擦头的实施例的一些实例说明了该方法。

当把挤压型材连成关键场合使用的结构时，没有一种上述的方法及装置可以符合没有孔洞及有合适的结构零件的冶金连接的高质量的整体焊缝，也不能提供搭接的焊缝结构。

为了得到焊接金属合适的连接，在整个焊接操作中(向前运动)，摩擦头底部(肩部)必须保持与要连接的元件的表面紧密的接触。如果在向前运动中，即使摩擦头肩部暂时从表面升起，在摩擦头后面会有少量塑性的焊接材料挤出，会由于没有材料充填挤出的材料造成的空间而产生孔洞。

另外，由于使用现有技术已知的“光滑的”焊接摩擦头会产生一些问题，也就是焊接速度要低以便得到材料足够的摩擦热(在摩擦头与连接元件之间的足够的接触时间)，以保证塑性化的焊接材料的充分流动。

因此本发明的目的是提供一种改进的摩擦搅拌焊接方法，其能保证没有孔洞且有光滑表面的高质量的整体焊缝。

本发明的另一个目的是改进现有的摩擦搅拌焊接方法，能提供搭接焊缝及三个或三个以上元件连接起来的结构。

本发明再一个目的是提供一种新型的摩擦头，它能得到均匀的焊缝，具有小的热影响区。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种连接元件的摩擦搅拌焊接方法，特别用于连接组合的挤压型材，包括把要组合的元件朝向对方推及固定的步骤，用材料比要连接的元件硬的摩擦头在转动运动下沿着连接线进入组合的元件，由此产生摩擦热而使邻近的元件材料中产生塑性区的步骤，将得到的塑性区材料沿着连接元件的表面暴露在一垂直压力下，并沿着所述的摩擦头的销产生垂直方向的材料流动，同时在摩擦头后面使塑性区材料凝固的步骤，其特征在于所述的摩擦头的底部处在与焊接表面的法线稍微偏斜的位置，与要连接的元件的相邻的表面接合，并且所述的摩擦头的底面及其销的外形可以保证塑性区材料的垂直及横向流穿过焊接区以保证最终的焊缝均匀化。

本发明还提供了一种用于连接元件的摩擦搅拌焊接的非自耗摩擦头，包括一可转动的圆柱形主体，其上部与一动力源连接，而底部设有销，其特征在于所述的摩擦头的底部具有凹形表面，连接的销是具有螺纹表面的摩擦头的可更换零件。

本发明的摩擦搅拌焊方法及摩擦头提供了优质的焊缝，两元件的结合牢固，焊缝的冶金质量及机械性能都比较高。

通过下面参照附图对本发明的详细说明，可以明白本发明的上述和其它的目的、特点及优点，附图中：

图1是本发明应用的焊接装置/方法的示意的透视图；

图2是两元件摩擦头的放大的局部剖视图；

图3是示意示出本发明新型的摩擦搅拌焊接的特点的视图；

图4是示出在焊接和转动速度及在摩擦头上加的压力之间理想的关系的曲线图；

图5a-e是所提供焊缝的不同类型的示意的局部的透视图。

参照附图，特别见图1，一个非自耗的摩擦头1包括一个转动的圆柱体2，它的上部22和一个动力源，例如一个发动机(图中未示出)相连，其底部设有一分离的销24，它用来把端对端放置的两元件(金属板)3，4连接(焊接)起来。在压力下把摩擦头1插入两元件3，4之间并转动，以便在摩擦头1沿着端对端放置的两元件移动过程中，提供适当的摩擦热加热对接焊缝5。

图2更清楚地示出组合的两部分的摩擦头1的专门的新型结构，摩擦头的底部23和所用的销24的外形(结构)，其中转动圆柱体2的底部23显示有凹面，而销24的外表面沿着纵轴线方向设有交替的突起及凹下的部分。