CN102149506A - 用于通过多轴环组件在高温下夹紧工具材料的旋转保持装置 - Google Patents

Abstract

提供一种工具，其能够执行高熔融温度材料和低熔融温度材料的摩擦搅拌处理、摩擦搅拌混合、以及摩擦搅拌焊，其中，轴环此时被分成联接于杆和FSW末端的至少内轴环和外轴环，其中，在高温下，新热障使得内轴环的膨胀能够向内指向，以由此在FSW末端上产生压缩，而不允许FSW末端在工具中变松。

Description

用于通过多轴环组件在高温下夹紧工具材料的旋转保持装置

相关申请

本申请要求2008年8月11日提交的序列号为61/087,916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，本发明涉及当将工具用在高熔融温度材料上产生过热时工具失效的问题，其中，轴环被用于将力矩从旋转的杆传递到摩擦搅拌焊末端，轴环失效导致FSW末端的失效。

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”沿接合处穿过，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，总体上柱状的工具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转动同时穿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。

在用于FSW的工具上或者在金属切削工业中的工具上使用轴环的技术设计的先前状态是使用单个轴环缩合式组件。在金属切削工业中，这种工具被用于高速度/高刚度旋转切削组件的操作。在金属切削工业中的工具依赖于轴环，该轴环在高温下松开工具并允许工具滑落，以使工具更换较为方便。因此，现有技术的设计不控制轴环组件的热膨胀以便适当地保持工具在400摄氏度以上。工具的双材料系统被设计成对于外部轴环材料具有较高的热膨胀率，但是仅为了更容易地更换工具的目的。

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。

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周围的较大柱状柱材。肩部12提供了顶锻力，该顶锻力包括由工具销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相对彼此移动，使得工具穿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，其在沿基质金属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2000rmp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)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)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)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，包括摩擦搅拌处理和摩擦搅拌混合。

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。管道和管件的应用需要通常由与其不同的材料制成的机械紧固的连接件，以在较大的温度范围内保持密封。因此，由于两种材料以不同的速率膨胀或收缩，所以接合处倾向于因极端的温度梯度而引起泄漏。输送液态天然气的管道和管件系统是必须在极端温度范围内工作的机械部件的一个示例。

具有在高温下操作的部件的设备和机器通常具有旋转部件，其向其它部件提供力矩。即使当这些部件由被设计成在高温下具有高强度的材料制成时，这些部件在操作过程中的失效也是危险的并且费用高。当部件在这些高温下具有降低的耐疲劳强度和/或减小的蠕变和断裂强度时会导致失效。此外，施加于材料上的负载大致接近这些材料的屈服、疲劳和蠕变强度。使用摩擦搅拌焊工具连接诸如钢、不锈钢和镍基合金的高温材料以及其它高熔融温度材料是该问题的一个示例。

高温摩擦搅拌焊工具

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。

因为这些FSW末端材料通常生产成本高，所以具有可更换的FSW末端的设计是生产工具并向市场供应工具的经济方式，因为当它们磨损或断裂时可被更换。

当FSW末端24由PCBN构成时，FSW末端是由相对于轴环具有低热膨胀系数的陶瓷状材料构成，轴环有时由镍基超级合金制成。由于PCBN和其它能够耐受摩擦搅拌焊环境的材料成本高，所以使FSW末端24的长度最小化可节省成本。

当杆8转动并将FSW末端24插入正在被摩擦搅拌焊接的材料的表面中时，产生热量并且热量传递至轴环22。轴环22的膨胀大于PCBN的FSW末端24的膨胀，其变得松动，并且在摩擦搅拌焊期间允许FSW末端24在轴环内转动。即使杆8在摩擦搅拌焊期间通常被冷却，利用该类型的现有技术的轴环设计也不能减少或消除轴环22的膨胀。还没有发现具有比PCBN小的热膨胀和高韧性的高强度材料，并且因此不存在可消除轴环22膨胀问题的替代材料。因此，当驱动FSW末端24所需要的力矩超过热膨胀轴环22的强度时，FSW末端24倾向于移动和在杆8的端部上自旋。

结果是FSW末端24失效，并且必须暂停摩擦搅拌焊以更换工具10。还必须使用维修工序以去除被连接的材料中的任何FSW末端24的碎屑。在某些情况下，不能使用维修工序并且必须废弃工件。

轴环膨胀和工具失效的根本问题是当关键部件与配合部件相互作用时的不利膨胀或收缩的结果。提供能够耐受摩擦搅拌焊的高温并且不会使FSW末端24因轴环膨胀而造成失效的工具，将是对现有技术轴环设计状态的改进。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于摩擦搅拌焊的新工具，其消除了由轴环的膨胀导致的问题。

本发明的另一方面是在工具内产生有利的应力，通过轴环膨胀促进但不破坏该应力的产生。

本发明的另一方面是提供热控制，以实现在高工具温度下改进的轴环夹紧。

在本发明的各个实施方式中，提供一种工具，其能够进行高熔融温度材料和低熔融温度材料的摩擦搅拌处理、摩擦搅拌混合、摩擦搅拌点焊和摩擦搅拌焊，其中，轴环此时被分成联接于杆和FSW末端的至少内轴环和外轴环，其中，新热障使内轴环的膨胀能够向内指向，以由此在FSW末端上产生压缩，而不容许在高温下FSW末端在工具中变松动。

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是本发明的第一实施方式的剖切图。

图4是可替代实施方式的端视图，其示出了在内轴环中包含间隙以控制压缩的工具。

图5是另一可替代实施方式的端视图，其示出了包括多个裂缝和间隙的工具。

图6是本发明的另一可替代实施方式的剖切图，其包括附加热障。

图7是本发明的另一可替代实施方式的剖切图，其在轴环组件中包括可选的支承盘和附加轴环。

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。

如下文所解释的，本发明将应用于几种不同类的材料。在一个实施方式中，材料可以被考虑是具有比先前所公开的青铜和铝高的熔融温度的那些材料。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。在另一实施方式中，所述材料可以被考虑是未包括在上述较高熔融温度的限定中的所有其它低熔融温度的材料。

本发明的第一实施方式是如图3中示出的用于执行摩擦搅拌焊的新工具10。本发明使带有其配合部件的第一部件的膨胀或收缩方向相反，以在组件内产生有益的应力。图3示出了如何实现该第一实施方式。

在工具10的该侧面轮廓剖切图中，内轴环30被放置在外轴环32内侧。第一热障34被布置在FSW末端24和内轴环30之间。第二热障36被布置在内轴环30和外轴环32之间。

第一和第二热障由抑制热能从热障的一侧向另一侧传递的材料构成。不同的材料将具有不同的热膨胀系数。因此，不同的材料可被用于不同的热障，以由此改变在工具10的不同部件上的温度梯度。

当FSW末端24的PCBN材料温度增加时，一部分热通过第一热障34传递至内轴环30。第一热障34使内轴环30中产生温度梯度，因此其比FSW末端24冷。当热连续传递时，由于热穿过第二热障36，所以另一温度梯度作用于外轴环32。外轴环32此时比内轴环30冷，结果外轴环比内轴环具有小的热膨胀。

由于外轴环32的存在，内轴环30不能向外膨胀。因此，内轴环30的膨胀此时向内指向，朝向FSW末端24退回。内轴环30的该膨胀在FSW末端24上产生压缩。根据工具10的设计，可有必要使内轴环30在FSW末端24上引起的压缩最小化。

提供图4以示意出减少由内轴环30引起的压缩的第一方法。通过使内轴环30裂开并产生间隙40来实现减少的压缩。间隙40为内轴环30的膨胀提供了空间，由此减少了施加于FSW末端24的压应力。

在图5中所示的替代性实施方式中，可在内轴环30中制造多个裂缝和间隙40。多个裂缝和间隙40使得本发明能够补偿用于内轴环30和外轴环32、FSW末端24以及热障的不同材料。裂缝和间隙40的具体数量和布置可以变化，并且不应被认为由在图5中所示的示例限定。

本发明的另一实施方式是向内轴环30施加热。将通过除了工具10的转动之外的一些方式实现热的施加。例如，可以将电阻元件用在工具10中，以加热内轴环30。加热内轴环将迫使内轴环30向内膨胀并且向FSW末端24施加压缩。

本发明的另一方面应用于在工具10的所有部件上的温度梯度的改进。例如，可以通过除工具10抵靠工件转动之外的方法改进在FSW末端24、内轴环30和外轴环32上的温度梯度。用于改进温度梯度的方式包括主动冷却、诸如冷却片之类的被动冷却、在内轴环和外轴环中使用不同的材料以及使用干涉配合，但是这些方法不应该被认为是限定性的。

一些示例包括冷却片，其可被增加到轴环的外径。多个轴环通过操纵轴环的热传导率来控制温度梯度，可借助于热障涂层。可以使用开口环式轴环或从选定的区域去除材料来操纵施加在轴环之间的压缩。可将主动冷却和/或被动冷却应用于工具的部分，以致也影响温度梯度。

本发明的另一替代性实施方式是使用内轴环和外轴环，而在工具10的各部件之间没有热障。通过用具有不同热膨胀系数的不同材料制造内轴环和外轴环，只要内轴环比外轴环膨胀得多，内轴环就仍可被用于在FSW末端上产生压缩。

图6中示出本发明的替代性实施方式。在图6中，指示出能够将热障布置在工具10中以有助于在需要的位置产生热梯度的其它位置。第一热障34和第二热障36的位置与所指示出的相同。但是，第三热障44被示出为布置在内轴环30和外轴环32之间。第四热障46被示出布置在FSW末端24和杆8之间。

在图7中示出的另一替代性实施方式中，两个新部件被增加到工具10。这些新部件可被一起增加，或者单独地增加而不需要存在另一个。

第一新部件是布置在杆8和FSW末端24之间的支承盘50。该支承盘50是可选的，并且用于如本领域技术人员所知的各种用途。例如，支承盘50可以用作FSW末端24的缓冲垫，从而在FSW末端与杆8之间不存在损坏性接触。

第二新部件是布置在外轴环32和内轴环30之间的中间轴环52。中间轴环52的用途是产生另一温度梯度，并且由此改善通过内轴环30作用于FSW末端24上的压缩程度。

中间轴环52的增加保留了增加附加轴环的可能性。可被增加的轴环的数量仅由可用的空间来限定。同样地，可被使用的热障的数量也不受限制。换言之，热障也可以是分层的。热障可以靠着其它热障、靠着工具10的热障和部件、或仅在部件之间布置。

图7还示出可在工具10内布置热障以调节其中的温度梯度的位置。

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 (19)

1.一种用于提供在高温下具有改进性能的摩擦搅拌焊工具的系统，所述系统包括：

柱状杆；

柱状摩擦搅拌焊(FSW)末端，所述柱状摩擦搅拌焊(FSW)末端布置在所述杆的工作端上；

内轴环，所述内轴环围绕所述FSW末端的一部分接合；以及

外轴环，所述外轴环围绕所述内轴环和所述杆的至少一部分接合，以由此当所述内轴环因受热膨胀时使所述内轴环靠着所述FSW末端向内压缩。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括至少一个热障，所述至少一个热障在所述内轴环中产生热梯度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述系统进一步包括布置在所述FSW末端和所述内轴环之间的第一热障。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述系统进一步包括布置在所述内轴环和所述外轴环之间的第二热障。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述内轴环包括第一材料，所述第一材料与用于所述外轴环的第二材料相比以更高的速率膨胀。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括通过所述内轴环的至少一个间隙，其中，所述至少一个间隙减少所述内轴环在所述FSW末端上的压缩。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括用于冷却所述外轴环以使得由于受热所述外轴环比所述内轴环膨胀得慢的方式。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述用于冷却外轴环的方式选自下述冷却方式的组，所述冷却方式的组包括：主动冷却、被动冷却、在所述内轴环和所述外轴环中使用不同的材料、以及使用干涉配合。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括加热元件，所述加热元件联接于所述内轴环，以由此使所述内轴环的加热能够促进所述内轴环在所述FSW末端上的压缩。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括至少一个附加轴环，所述至少一个附加轴环布置在所述内轴环和所述外轴环之间，其中，所述至少一个附加轴环起到热障的作用，以增大在所述内轴环和所述外轴环之间的温度梯度。

11.一种用于提供摩擦搅拌焊工具在高温下的改进性能的方法，所述方法包括下列步骤：

1)提供：柱状杆、布置在所述杆的工作端上的柱状摩擦搅拌焊(FSW)末端、围绕所述FSW末端的一部分接合的内轴环以及围绕所述内轴环和所述杆的至少一部分接合的外轴环；以及

2)当所述内轴环因受热膨胀时，靠着所述FSW末端从所述内轴环施加压缩力。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括提供热障的步骤，所述热障有助于在所述内轴环中产生热梯度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法进一步包括在所述FSW末端和所述内轴环之间布置第一热障的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法进一步包括在所述内轴环和所述外轴环之间布置第二热障的步骤。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括将第一材料用于所述内轴环的步骤，所述第一材料与用于所述外轴环中的第二材料相比以更高的速率膨胀。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括通过所述内轴环设置至少一个间隙的步骤，其中，所述至少一个间隙减少所述内轴环在所述FSW末端上的压缩。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括冷却所述外轴环以使得由于受热所述外轴环比所述内轴环膨胀得慢的步骤。

18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括靠近所述内轴环布置加热元件以由此使所述内轴环的加热能够促进所述内轴环在所述FSW末端上的压缩的步骤。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法进一步包括在所述内轴环和所述外轴环之间布置至少一个附加轴环的步骤，其中，所述至少一个附加轴环起到热障的作用，以增大在所述内轴环和所述外轴环之间的温度梯度。

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