CN102149505A - 在摩擦搅拌焊过程中利用可修改的工具控制参数控制工具温度的方法 - Google Patents

Abstract

引入新的控制变量，当其与依赖于其它变量的先前控制标准相结合时导致控制程序，所述控制程序可产生优良的焊接同时使在FSW工具上的磨损最小化，其中，在每个重复的焊接顺序期间，工具在指定的控制窗口内重复地经历相同的热负荷和机械负荷，这是因为流动应力和工具负荷是由温度驱动，并且相关的控制循环可解决材料的不同和在摩擦搅拌焊接的整个过程中在不同位置以不同的速率传递的热量不同的问题。

Description

在摩擦搅拌焊过程中利用可修改的工具控制参数控制工具温度的方法

相关申请

本申请要求2008年8月11日提交的序列号为61/088,001的美国临时专利申请的优先权并且结合该申请的所有主题作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及摩擦搅拌焊(FSW)以及包括摩擦搅拌处理(FSP)、摩擦搅拌混合(FSM)和摩擦搅拌点焊(FSSW)的所有其变型(下文中统称为“摩擦搅拌焊”)。具体地，本发明涉及高温材料的摩擦搅拌焊的独有问题。用于诸如铝之类的低温材料的摩擦搅拌焊的控制和处理标准不足以管控在高熔融温度材料的摩擦搅拌焊期间在工具周围的关键和动态的过程。

背景技术

摩擦搅拌焊是已经被开发用于焊接金属和金属合金的技术。FSW处理通常涉及由旋转的搅拌销在接合处的任一侧接合两个邻接工件材料。施加力以便迫使销和工件在一起，并且由销、肩部和工件之间的相互作用造成的摩擦热导致接合处任一侧的材料的塑化。销和肩部的组合或“FSW末端”沿接合处横过，在其前进的同时塑化材料，并且留在前进的FSW末端的尾流中的塑化的材料冷却以形成焊缝。FSW末端也可以是不带有销而仅带有肩部的工具，用于通过FSP来处理另一材料。

图1是被用于摩擦搅拌焊的工具的透视图，其特征在于，总体上筒状的工具10具有杆8、肩部12和从肩部向外延伸的销14。销14抵靠工件16转动直至产生足够的热量，在该点，工具的销插入塑化的工件材料内。通常，销14插入工件16内直至达到肩部12，其防止进一步穿入工件。工件16通常是两块片材或板材，它们在接合线18处对接在一起。在该示例中，销14在接合线18处插入工件16内。

图2是工具10的横截面图。轴环22被示出夹紧杆8和FSW末端24，其中，FSW末端包括肩部12和销14。当工具10被转动时，力矩从转动的杆8传递至轴环22然后到FSW末端24。当工具10被用在诸如钢之类的高熔融温度材料的工件上时，当FSW末端24转动同时横过被摩擦热软化的钢时，其在很多情况下暴露到超过1000摄氏度的温度下。

参照图1，销14抵靠工件材料16的旋转运动造成的摩擦热使工件材料在未达到熔点的情况下就被软化。沿接合线18横向地移动工具10，由此当塑化的材料围绕销从前沿向后沿流动时产生焊缝。与使用其它传统技术的焊接相比，结果是在接合线18处产生与工件材料16本身通常不能区分的固相结合20。由于发生了混合，所以也可以使该固相结合20优于原工件材料16。此外，如果工件材料由不同的材料构成，所得到的混合材料还可能优于两种原工件材料中的任何一种。

可以观察到，当肩部12与工件的表面接触时，其旋转产生另外的摩擦热，该摩擦热塑化在嵌入的销14周围的较大筒状柱材。肩部12提供了顶锻力，该顶锻力包括由旋转的工具销14造成的向上的金属流。

在摩擦搅拌焊过程中，待焊接的区域和工具10相对彼此移动，使得工具横过期望长度的焊缝接合处。旋转的摩擦搅拌焊工具10提供连续的热作业动作，其在沿工作材料16横向地移动时塑化在窄区域内的金属，同时将金属从销14的前沿向它的后沿输送。当焊接区域冷却时，由于在工具10通过时不产生液体，所以通常不存在固化。通常情况下，所得到的焊接是在焊接区中形成的无缺陷的、再结晶的、细晶粒的微观结构，但不会总是这样。

行进速度通常为10到500mm/min，并伴随有200到2000rpm(每分钟转数)的旋转速度。所达到的温度通常接近但是低于固相线温度。摩擦搅拌焊参数是材料的热性能、高温流动应力和穿入深度的函数。

摩擦搅拌焊与熔焊相比具有以下几个优点：1)不存在填料金属，2)过程能够完全自动化，从而对操作者的技术水平的要求较低，3)由于所有的受热发生在工具/工件的界面处，所以能量输入效率高，4)由于FSW的固态特性和极大的可重复性，所以只需最少的焊后检查，5)FSW允许存在界面间隙并且因此所要求的焊前准备很少，6)通常不存在需要去除的焊接飞溅，7)焊后表面的光洁可格外地光滑，具有很少的或者没有毛刺，8)通常不存在气孔和氧污染，9)周围材料不变形或变形很小，10)由于不存在有害的排放物，所以无需对操作者进行保护，以及11)通常提高了焊接性能。在本文中，摩擦搅拌焊将被认为包括可用摩擦搅拌焊工具执行的所有过程，包括但不限于摩擦搅拌处理、摩擦搅拌点焊和摩擦搅拌混合。

先前的专利文献已经教导了能够对之前被认为在功能上不可焊接的材料执行摩擦搅拌焊的益处。这些材料中的一些是非熔合焊接材料或根本上很难焊接。这些材料包括：例如，金属基复合物、诸如钢和不锈钢之类的铁合金以及非铁材料。也能够利用摩擦搅拌焊的优点的另一类材料是超级合金。超级合金可以是具有较高熔融温度的青铜或铝材料，并且也可以具有混入其中的其它元素。超级合金的一些例子是镍、铁-镍以及通常在1000华氏度以上的温度下使用的钴基合金。在超级合金中通常可以发现的添加元素包括，但是不限于，铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽以及铼。

应当指出，钛也是用于摩擦搅拌焊的理想的材料。钛是非铁材料，但是其比其它非铁材料具有高的熔点。

先前的专利教导：用于高温材料的摩擦搅拌焊工具是由具有比将被摩擦搅拌焊接的材料更高熔融温度的一种或多种材料制成。在一些实施方式中，在工具中使用超硬磨料，有时作为涂层。

本发明的实施方式大致涉及功能上不可焊接的材料，以及超级合金，并且在本文的下文中，它们被称作“高熔融温度”材料。然而，当使用低熔融温度材料时，此处所教导的工具也能够被用在低的粗糙的摩擦搅拌焊环境中。

本发明对于在许多应用中使用的工具都有益，但在执行高熔融温度材料的摩擦搅拌处理时最特别。

高温摩擦搅拌焊接工具

与需要液相向固相转变的材料的形成相关联的问题相结合，在摩擦搅拌焊技术方面近来的进步已经导致下述工具，即，可被用于在摩擦搅拌焊的固态连接过程中将诸如钢和不锈钢之类的高熔融温度材料连接在一起。

当使用该工具时，在各种材料的摩擦搅拌焊中有效。当使用除聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)之外的多种工具末端材料时，该工具设计也有效。这些材料中的一些包括诸如钨、铼、铱、钛、钼等耐熔物。

如先前所解释的，摩擦搅拌焊是固态接合处理，其使用旋转的工具，以当工具横过彼此邻接定位的两个金属体之间的接合线时产生摩擦热。用于接合的该方法比熔融和固化被接合的本体的熔焊接处理提供更优良的接合。现在，FSW在包括造船、油气和航空航天的多个行业中被用于商业上接合材料。

用于接合高熔融温度材料的摩擦搅拌焊设备具有两个主要控制参数：轴向或Z轴负荷以及轴向或Z轴位置。在FSW处理期间，这两个控制参数和工具横过速度以及工具旋转速度一起使用，以生成摩擦搅拌焊接合。通常，所有这四个控制参数(Z轴负荷、Z轴位置、工具横过速度和工具旋转速度)彼此独立并且由编程的闭合循环反馈算法控制到对于每个控制参数的指定设定点。此时，在FSW生产中的大部分的应用由铝摩擦搅拌焊接部件构成，在该情形中，在进行FSW处理期间，通常需要操作者的干预。在大部分的铝应用中，FSW是比较宽容的处理，其中，铝的流动和延展性较高，并且由于铝的高热传导率，在FSW过程期间产生的热被快速地传递离开工具路径。

当FSW扩展至高强度、高熔融温度材料的应用时，产生无缺陷的可靠焊接接合的处理范围比铝要小得多。该较小的处理范围归因于围绕工具的较陡的温度梯度、被接合的材料的相对低的热传导率、高的流动应力和/或较低的材料延展性。

较陡的温度梯度是低的材料热传导率与塑化围绕工具的材料流所需要的较高的温度相结合的结果。在铝中，热传递主要是通过材料，而在诸如钢之类的高熔融温度的材料中，热流过材料、材料的背侧，从表面和界面内部地折回并通过工具。另外，在FSW期间，施加于工具的热负荷和机械负荷极大，而且精确的过程控制需要不仅能防止工具由于磨损或断裂引起的失效，而且要产生可预测的并且一致的接合特性。用于诸如铝之类的FSW低温材料的控制和处理标准不足以在高熔融温度材料的FSW期间管控围绕工具的关键和动态的过程。

比现有技术有利的是创造一种系统，其用于管控高熔融温度材料的摩擦搅拌焊的控制参数和动态过程，以由此提高工具的寿命和焊接的质量。

发明内容

本发明的一方面是提供新的控制变量，该控制变量与依赖于其它变量的控制标准相结合。

在本发明的一个实施方式中，引入新的控制变量，当其与依赖于其它变量的先前控制标准相结合时导致控制程序，所述控制程序可产生优良的焊接同时使在FSW工具上的磨损最小化，其中，在每个重复的焊接顺序期间，工具在指定的控制窗口内重复地经历相同的热负荷和机械负荷，这是因为流动应力和工具负荷是由温度驱动，相关的控制循环可解决材料的不同和在摩擦搅拌焊的整个过程中在不同位置以不同的速率传递的热量不同的问题。

通过对下述接合附图的详细说明的理解，本发明的这些和其它方面、特征和优点对于本领域技术人员将变得更加清楚。

附图说明

图1是如在现有技术中教导的用于摩擦搅拌焊的工具的透视图。

图2是根据现有技术的FSW末端、锁定轴环和杆的剖切图。

图3是摩擦搅拌焊接机的部件的示意图。

图4是通过使用尝试并保持控制变量的指定值的嵌套控制循环来控制摩擦搅拌焊处理的方法的流程图。

具体实施方式

现在，将参照附图，在附图中本发明的实施方式的各元件将被给定标记，并且其中将讨论本发明，以使本领域的技术人员能够制造和使用这些实施方式。应该理解，下述说明仅是本发明的原理的示例，不应该被视为使随后的权利要求范围变窄。

在第一实施方式中，本发明被设计成当摩擦搅拌焊材料比先前讨论的青铜和铝具有高的熔融温度时，产生优良的焊接和提高的工具寿命。该类材料包括但不限于，金属基复合物、诸如钢和不锈钢之类的铁合金、非铁材料、超级合金、钛、通常用于表面硬化的钴合金以及空气硬化钢或高速钢。

本发明包括新增加的控制变量，该新的控制变量与依赖于其它变量的控制标准相结合。为了理解本发明如何操作，示出摩擦搅拌焊接机的部件的简化示图比较有益。摩擦搅拌焊接机通常包括框架30、联接于框架的工具保持器32以及布置在工具保持器下方的用于支承工件材料的工作台34。摩擦搅拌焊工具10布置在工具保持器32中。工具保持器32操纵工具10进入预期的位置，并且向工具施加旋转速度，使得工具能够被插入工件材料内。工具保持器32和工作台34提供了工具10压靠在安装于工作台34上的工件材料的能力。

工具保持器32和工作台34在用于操作摩擦搅拌焊接机的控制程序的指示下操作。理想地，该控制程序能够在最少操作者干预或者没有操作者干预的情况下执行摩擦搅拌焊。因此，分析摩擦搅拌焊过程，以确定什么输出变量能够被监控并用作对控制程序的反馈，以便控制程序做出调整，使得机器能够在最少使用者干预的情况下操作。做出这些调整，以产生优良的焊接，产生可重复的焊接并且使工具的寿命最大化。

确定工具温度可以作为输出变量被监控，以确定何时实现稳定状态处理。在该情形下，稳定状态处理是摩擦搅拌焊工具执行焊接同时维持恒定的或接近恒定温度的处理，下文中其被称作工具10的温度设定点。

能够以本领域技术人员已知的许多方式监控工具34的温度设定点。例如，能够将温度热电偶设置在工具10内。确定温度的方法不是本发明的方面，但是将假定温度被正确地且实时地确定。

工具温度直接影响到本发明的所有预期目标。工具温度与工具上的负荷、接合处的缺陷和被接合工件材料中的流动应力直接相关。摩擦搅拌焊在焊接过程中提供实时温度的能力是独一无二的。

计算机控制程序被用于控制摩擦搅拌焊接机的操作。控制程序利用基于预期工具温度设定点的嵌套控制循环。换言之，通过在控制程序中创建嵌套控制循环，使控制程序修改控制参数，直至控制参数不能再被修改为止。例如，控制程序达到用于控制参数的值，该值不应该被超过。因此，当控制参数不能再被调节时，控制程序将移至仍能够被修改的下一控制参数。控制程序然后对该控制参数进行调节，从而再次尝试并使工具温度设定点达到预期值。如果修改该新的控制参数成功，则控制程序不移至不同的控制参数。如果不成功，控制程序将修改控制参数，直至达到另一控制参数边界为止。

只要存在还未被调节的控制参数，从控制参数移至控制参数的处理就将继续，直至达到控制参数的边界，或最终达到工具温度设定点。控制程序因此使用嵌套控制循环，每个循环代表不同的控制参数。

提供图4作为当在任何给定时间可对单个控制参数进行修改时控制程序执行过程的概要。开始之后，在项40中，控制程序确定工具是否在预期设定点温度。如果是，控制程序循环返回相同的步骤并继续询问摩擦搅拌焊接机工具温度是否在设定点。如果工具温度已偏离工具温度设定点，则控制程序移至项42。在项42中，控制程序修改控制参数N(因为这是第一次通过循环，所以在该情形中其为第一控制参数)。

在项44处的下一步骤是确定控制参数是否已经被修改使得它的值已达到最小或最大值。如果尚未达到最小或最大值，则控制程序返回项40，以确定工具是否已经回到设定点温度。如果没有，在项42中再次对该控制参数进行修改，则控制程序在项44中确定是否已经达到边界值，如果已达到边界值，则不能再对该控制参数进行修改。下一步骤是进行到项46并增加下一待修改的控制参数。控制程序然后返回至项40并再次确定工具是否已经回到设定点温度。

连续执行上述方法，直至实现稳定状态的工具温度，已完成摩擦搅拌焊过程，或者已经对所有的控制参数进行了修改直至达到边界。在该点，控制程序可自动停止摩擦搅拌焊操作，或允许使用者确定摩擦搅拌焊是否应该推进。

嵌套控制循环可使用任意数量的控制参数，它们可通过摩擦搅拌焊接机的控制程序被修改。例如，为了修改工具温度设定点，可以修改Z轴负荷、Z轴位置、横过速度、横过负荷和工具RPM(每分钟转数)或旋转速度的控制参数。然而，其它摩擦搅拌焊接机可能够控制摩擦搅拌焊处理的其它方面。因此，所有可控制的参数都应该被认为在本发明的范围之内。

本发明的另一方面是可通过控制程序修改控制参数的次序。为了获得预期的摩擦搅拌焊效果，使用者可选择使用控制参数的次序。

控制程序还可被修改成同时控制多于一个的控制参数。因此，理想地，可同时修改两个控制参数。一旦这些参数中的一个已经达到参数边界，本发明就可停止修改这两个控制参数并移至另一嵌套控制循环，或可继续修改未达到参数边界的控制参数。

一旦控制程序已经确定在当前的嵌套控制循环内必须停止修改两个控制参数，控制程序便移至下一嵌套控制循环。该下一嵌套控制循环又可以包括单个或多个控制参数的修改。需记住的要点是，本发明不限定可被控制程序修改的控制参数的总数和可被同时修改的控制参数的总数。

下面是如何使用总共四个嵌套控制循环来实施本发明的第一实施方式的示例，其中，每个嵌套控制循环每次能够修改单个控制参数。工具温度设定点被指定的值为750℃。创建最大和最小的可容许的工具温度设定点。工具温度设定点不需要与边界值等距。然而，对于该示例，工具温度设定点是+/-5℃。应当记住，在该示例中使用的工具温度设定点仅为说明的目的，而不应该被认为是限定性的。因此，工具温度设定点边界可大于和小于所给定的值。因此，如果工具温度开始增加，控制程序对控制参数进行调节，以使工具的温度回到750℃。对于该示例，控制程序将要修改的第一控制参数是工具RPM(每分钟转数)。

控制程序将被给定可用来修改工具RPM(每分钟转数)的设定点范围。例如，可以给定控制程序修改工具RPM(每分钟转数)+/-25RPM(转/分)的能力。在对工具的RPM(每分钟转数)进行修改的同时，监控工具温度，以确定其是否在期望的方向上改变。然而，如果工具RPM(每分钟转数)达到最大设定点，则控制程序将移至下一相关变量或控制参数，以致实现在工具温度方面期望的改变。

在该示例中，控制程序接下来使用横过速度。横过速度将在横过设定点范围内增加或减小直至达到最大或最小设定点，或者工具温度回到工具温度设定点。

如果工具温度继续升高，则将降低Z轴负荷。如果对于Z轴负荷达到边界值之后，控制程序仍未达到期望的工具温度设定点，则控制程序将移至最后的嵌套控制循环，其中，可以调节最后的控制参数。因此，控制程序将在最小和最大设定点内调节Z轴位置。

所期望的是，在摩擦搅拌焊接机操作期间，在状态窗口中显示所有设定点，该窗口能够示出所有控制参数和用于每个控制参数的最小和最大设定点。

在本发明的替代性实施方式中，在运行中修改用于每个控制参数的最小和最大设定点。对于操作者，这样做可能是必要的，以由此超驰控制程序并且允许超过边界，或者由于还未达到边界而修改边界的值使得控制程序仍正常地运行。

在另一替代性实施方式中，所期望的是，在使用控制程序的同时可以改变嵌套控制参数的次序。其将允许使用者修改最有利的控制参数。

控制程序的实施已导致摩擦搅拌焊的处理成为没有操作者干预或带有最少的操作者干预的“按钮式”操作。在每个重复的焊接顺序期间工具在指定的控制窗口内经历相同的热负荷和机械负荷，并且焊接质量得到了提高。分析已经显示，流动应力和工具负荷由工具温度驱动，并且相关的控制循环可解决工件材料的不同以及在焊接的整个过程中在不同位置以不同的速率传递的热量不同的问题。

对于不同的工件材料来说，控制程序修改控制参数的次序通常将不同。控制参数的边界和控制参数被应用的次序的目录因此成为操作者可使用的数据库的一部分。因此，本发明未阐明特定的控制参数次序。因此按着通过试验确定的最有利次序应用嵌套控制循环。然而，为了实现稳定状态的工具温度，还给予操作者超驰任何当前的控制参数值和应用控制参数次序的自由。

本发明的附加控制特征是考虑工具温度达到稳定状态所需要的时间。其被称作在焊接顺序初始的预测温度控制并且在工具达到稳定或者接近稳定状态条件之前被使用。预测温度控制还可被用于在FSW期间确定工具响应于温度改变所需要的时间。因此可为工具本身确定温度分布图并且在用于特定的工具的热电容的编程中解决“延迟”时间的问题。

本发明的概念不仅适用于FSW而且适用于使用旋转工具修改材料性能的任何其它应用。

应当理解，上述配置和实施方式仅是本发明原理应用的说明。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以作出许多改型和替代性配置。所附权利要求用于覆盖这些改型和配置。

Claims (11)

1.一种用于修改摩擦搅拌焊接机的控制参数的方法，所述摩擦搅拌焊接机与高熔融温度材料一起使用并且通过控制程序操作，所述控制程序包括下述步骤：

1)确定用在高熔融温度工件材料上的工具温度；

2)将所述工具温度与工具温度设定点进行比较；

3)如果所述工具温度与所述工具温度设定点不同，则修改当前控制参数，或者如果所述工具温度与所述工具温度设定点相同，则返回至步骤1)；以及

4)确定是否已经达到所述当前控制参数的最小边界值或最大边界值，如果还未达到所述当前控制参数的最小边界值或最大边界值，则返回至步骤1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括下述步骤：

1)如果所述当前控制参数已经达到所述最小边界值或所述最大边界值，则将所述当前控制参数改变到要被修改的下一控制参数；以及

2)返回至步骤1)，并且除了使所述下一控制参数成为要被用于修改所述工具温度的当前控制参数之外，重复所有的所述步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法进一步包括当所有的所述控制参数已经达到最小或最大边界值时终止所述控制程序。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制参数从包括Z轴负荷、Z轴位置、横过速度、横过负荷和工具RPM的控制参数组中选择。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法进一步包括中断所述控制程序并且用不同的控制参数代替正在被用于修改工具温度的所述当前控制参数的步骤。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法进一步包括中断所述控制程序以改变被用于修改所述工具温度的所述控制参数的次序的步骤。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括与所述当前控制参数同时地修改至少第二控制参数的步骤，从而使得所述控制程序使用至少两个控制参数来达到所述工具温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括在运行期间修改所述当前控制参数的最小边界值或最大边界值的步骤。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括使用预测温度控制来延迟步骤3)和步骤4)直至所述工具温度首次达到所述工具温度设定点的步骤。

10.一种通过修改摩擦搅拌焊接机的控制参数来改善通过摩擦搅拌焊实现的焊接的可重复性的方法，所述摩擦搅拌焊接机通过控制程序操作，所述控制程序包括下述步骤：

1)确定工具温度；

2)将所述工具温度与工具温度设定点进行比较；

3)如果所述工具温度与所述工具温度设定点不同，则修改当前控制参数，或者如果所述工具温度相同，则返回至步骤1)；以及

4)确定是否已经达到所述当前控制参数的最小或最大边界值，如果还未达到所述当前控制参数的最小或最大边界值，则返回至步骤1)。

11.一种用于修改控制变量以便操作用于高温材料的处理的摩擦搅拌焊接机的方法，所述方法包括下述步骤：

1)选择被监控的至少一个控制变量，其中，期望将所述控制变量保持在设定点；以及

2)提供多个控制变量，所述多个控制变量能够被调节以将所述至少一个控制变量保持在所述设定点，其中，所述多个控制变量中的每一个变量独立于其它控制变量被调节。

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