CN103108720A - 用于利用高旋转速度以使搅拌摩擦焊期间的载荷最小化的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于利用搅拌摩擦点接（FSSJ）来接合由先进高强度钢（AHSS）制成的工件的系统和方法，其中，第一实施方式为不具有表面特征的FSSJ工具，并且其中，所述FSSJ工具的旋转速率比在其它FSW技术中所使用的工件的旋转速率高得多，以由此通过小规模地引起AHSS的塑化而降低转矩，并且在第二实施方式中，如果FSSJ工具由具有高硬度的传导工具材料制成，则可以传统的FSSJ速度来使用传统的FSSJ工具，并且FSSJ工具和/或工件的加热增强了所述FSSJ工具的用于功能性地焊接该AHSS的能力。

Description

用于利用高旋转速度以使搅拌摩擦焊期间的载荷最小化的系统

相关申请的交叉参引

本文献要求案件号为4832.SMII.PR、序列号为61/369,934的临时专利申请的权益，并以参引的方式结合了在该临时专利申请中所包含的所有主题。

技术领域

本发明主要涉及一种搅拌摩擦焊（FSW）及其包括搅拌摩擦处理（FSP）、搅拌摩擦点焊（FSSW）、搅拌摩擦点接（FSSJ）以及搅拌摩擦混合（FSM）在内的变型（并且在下文中被共同地称作“搅拌摩擦焊”）。

背景技术

搅拌摩擦焊为一种已经研发用于焊接金属和金属合金的技术。搅拌摩擦焊通常为一种固态过程。固态过程在此被限定为向通常不包括液相的塑化状态的临时转换。然而，将注意到的是，一些实施方式使得一个或更多个元件能够经历液相，并且仍然获得本发明的益处。

搅拌摩擦焊过程通常涉及通过旋转搅拌针而将两个毗连的工件的材料接合在接头的任一侧面上。施加力以将针部和工件推进到一起，并且，在针部、肩部与工件之间的相互作用所导致的摩擦热导致接头的任一侧面上的材料的塑化。针部和肩部的结合物或“FSW尖端”沿着接头横过，在其前进时使得该材料塑化，并且，留在前进的FSW尖端的被塑化的材料冷却以形成焊缝。该FSW尖端也可以是不具有针部的工具，使得该肩部正通过FSP来处理另一材料。

图1为正被用于搅拌摩擦焊的工具的立体图，该工具的特征在于大致圆柱形的工具10，该大致圆柱形的工具10具有柄杆8、肩部12和从肩部12向外延伸的针部14。针部14靠在工件16上旋转，直至在将工具的针部冲入到被塑化的工件材料中的位置处生成足够多的热量。通常，将针部14冲入到工件16中，直至到达肩部12，该肩部12防止进一步穿透到工件中。工件16通常为在接合线18处对接到一起的两个材料薄片或材料板。在该示例中，针部14在接合线18处被冲入到工件16中。

参照图1，由针部14靠在工件材料16上的旋转运动所产生的摩擦热导致工件材料在未到达熔点的情况下变软。使工具10沿着接合线18横向地移动，从而在被塑化的材料在针部的周围从前缘沿着工具路径20流动至后缘时产生焊缝。结果是沿着工具路径20在接合线18处的固相结合，该工具路径20通常是不能与工件材料16区分开的，这与当使用传统的非-FSW焊接技术所产生的焊缝形成对比。

观察到，当肩部12接触工件的表面时，它的旋转产生额外的摩擦热，该额外的摩擦热使得插入的针部14的周围的材料的较大的圆柱塑化。肩部12提供了含有由工件针部14所造成的向上的金属流的锻造力。

在搅拌摩擦焊期间，使待焊接的区域和该工具相对于彼此移动，使得该工具于工具/工件界面处横过焊接接头的所需长度。旋转搅拌摩擦焊接工具10提供持续不断的高温工作动作，从而在将金属从针部14的前缘向其后缘运输的同时，随着该工具沿着基本金属横向地移动而使得狭窄区域内的该金属塑化。随着该焊接区域冷却，通常不存在凝固作用，这是因为在工具10经过时没有液体产生。经常出现但并非总是如此的情形是，由此产生的焊缝是形成在焊接区域中的无缺陷的、再结晶的精细颗粒微观结构。

行进速度通常为10至500毫米/分钟，且旋转速度为200至2000转数/分钟（rpm）。所达到的温度通常接近于但低于固相线温度。搅拌摩擦焊参数为材料的热性质、高温流动应力、和穿透深度的函数。

在先的专利已经讲授了能够利用先前被认为在功能上是不可焊接的材料执行搅拌摩擦焊的益处。这些材料中的一些是不可熔焊的，或者恰恰是根本难以焊接的。这些材料包括，例如，金属基复合材料、诸如钢和不锈钢之类的铁合金、和非铁材料。同样能够利用搅拌摩擦焊的其它类材料是超级合金。超级合金可以是具有较高熔化温度的材料，青铜或铝，并且也可在其中混合有其它元素。超级合金的一些示例是通常用于高于1000℉的温度下的镍、铁镍合金和钴基合金。在超级合金中常见的附加元素包括，但不限于，铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽、和铼。

所要注意的是，钛也是一种用于搅拌摩擦焊的令人满意的材料。钛是一种非铁材料，但具有比其它非铁材料更高的熔点。在先专利讲授了一种用于高温材料的搅拌摩擦焊的工具由具有比被进行搅拌摩擦焊的材料更高的熔化温度的材料制成。在一些实施方式中，超硬磨料有时候在该工具中被用作涂层。

用于将金属接合在一起的最常见的方法或者利用机械紧固件或者利用传统的焊接方法。典型的焊接方法包括电阻焊、钨极惰性气体保护焊（TIG焊）、金属惰性气体保护焊（MIG焊）、激光焊、电子束焊接以及这些过程的变型。在汽车工业中，用于焊接的最常见的方法之一是利用电阻点焊。这些焊接通常用于将汽车或卡车的车架部件接合到一起。这是用于制造汽车的重要且关键的方法。例如，典型的四门轿车将需要超过4000处点焊以制造汽车的车架和子部件。

尽管汽车工业是利用电阻点焊的最常见的工业，但也存在许多利用该接合方法的工业。出于简洁的目的，将利用汽车工业来说明现存的问题以及本发明的在该文献中所述的新颖性。

电阻点焊是如今在工业中用于将诸如结构金属板之类的金属部件接合到一起的最常见的方法。这是用于将钢质部件接合到一起所选择的方法。FSSJ为用于将铝质结构部件接合到一起的更为新近的方法之一。应当注意到，由于存在较高的材料和接合成本，因此仅有一小部分的汽车工业利用铝制结构部件。因此，通常仅将铝用在昂贵的跑车中，该跑车销售给寻求在汽车中的较高的动力-重量比的狂热者。

在技术发展水平中，FSSJ是利用诸如图2中所示的由强化硬度的工具钢制成的FSW工具30之类的工具的过程。

如图3A中所示，工具30在由顶板34和底板36构成的互搭接头32（重叠铝质工件）的上方旋转。在图3B中，工具30被冲过顶板34且部分地冲到底板36中，直至工具的肩部38与顶板相接触。正被接合的材料软化但并不熔化，而是在工具30的针部40的周围流动以形成点接头42。图4为铝中的完成的FSSJ点接头42的特写视图。

现有技术的一个重要方面是，为了使得正被接合的材料在FSSJ期间在工具30的周围流动，使用表面特征。图5示出了表面特征的一些示例，表面特征包括，但不被视为限制于在针部40和/或肩部38上的螺纹、平面、以及朝向工具表面轮廓延伸或从该工具表面轮廓上挤出的其它特征。

经验已经证实，在用于接合铝质工件的FSSJ过程中存在两个关键的方面。第一方面是，工具30在速度低于400RPM的情况下使用。FSW文献中充满了工具RPM数据，其表明该工具通常被保持在约400至600RPM。

第二个方面是，工具30必须具有用以使材料在工具的周围移动的表面特征，这是因为这些特征对于材料流量、材料性质、和会在FSW期间出现的任何缺陷有重要的影响。

现存点焊技术所具有的问题可被划分为两类：钢的电阻点焊的问题以及铝的FSSJ的问题。不尝试铝的电阻点焊，这是由于铝在该过程的液体和凝固步骤期间并不与其自身结合，并且它不具有可估计的强度。对于钢的FSSJ而言，由于存在工具材料限制和庞大且昂贵的设备成本，因此，这尚未成功过。

钢的电阻点焊的问题

在美国，汽车工业尤其受到严格的政府要求，以提高所有车辆的燃料效率，而在其它国家也正在实施类似的标准。实现该燃料效率目标的最简单的方法之一是通过减少车辆的重量来实现的。这已使得钢铁生产商研发先进高强度钢（AHSS），使得可将更为轻质但更为强劲的钢部件用于构造车身，而同时又满足对于每种车型的联邦安全碰撞要求。遗憾的是，这些新型AHSS不是极其难以焊接，就是根本是不可焊接的。

电阻点焊需要相对高程度的材料坚固性以维持均匀的点接强度。该AHSS并不具有该坚固性，这是因为它们被机械地加工以产生高强度值。一旦AHSS在焊接过程期间被熔化，则这些性质就被严重地降级。一般而言，在钢无论如何都可被焊接的情况下，钢的强度越高，就越难以焊接。该问题由获得高强度所需的高合金含量所引起。高合金含量折合成更高的硬化度，并且硬化度的更高水平产生易碎裂的微观结构，该易碎裂的微观结构可具有较差的冲击强度、对于断裂的敏感性、以及缩短的疲劳寿命。

钢的FSSJ也是难以成功的。诸如多晶立方氮化硼（PCBN）之类的工具材料已在接合AHSS上具有有限的成功率。由于正被接合的材料具有如此高的强度，因此，利用PCBN工具穿透这些材料所需的力是极高的。这增加了FSSJ设备的会附接至自动机械的臂部的头部重量。由于存在在如此高的载荷下所引起的偏转，它也缩短了喉部尺寸或头部的伸长度。

简单地说，无法利用电阻点焊头部的现存几何形状并且更为牢固的小型头部设计对于应用而言会具有非常有限的使用空间。伴随高心轴载荷而来的是使AHSS钢随着该材料软化而在工具的周围移动所需的转矩要求的增加。这意味着在工具轴线的周围存在高轴向工具力以及高扭转力，使得设备必须适应于结构和电机马力。PCBN是一种昂贵的钻石状材料，作为在每个FSSJ周期期间的较高的力和周期型的温度的结果，PCBN现在已经被推到它的最终材料强度极限。这导致过早的工具故障并消除了任何经济优势。

因此，汽车工业正迅速地陷入僵局：既不能够进行电阻点焊AHSS，又不具有成本低且有效率的FSSJ过程，以制造满足委托统治的燃料效益标准所需的车辆。

铝的FSSJ的问题

尽管在铝的FSSJ应用中取得了少量的成功，但仍然存在阻碍进一步实施该技术的技术障碍。一旦该应用已确定铝是待使用的最好材料，铝的高导热性就使FSSJ过程产生问题。当FSSJ工具冲入到铝中时，非常难以积聚热量来软化工具周围的材料。这产生必须由设备起反应的高载荷。

通常，C型框架FSSJ头部被用于旋转该工具、施加载荷并对由该过程所生成的力起反应。高载荷需要将不发生偏转的设备，以使得可在该过程期间保持住工具位置。另外，为了克服该过程所经历的扭转载荷，对心轴电机的马力要求是较高的。

因此，需要的是一种可在汽车和其它工业中用于接合AHSS的方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于利用搅拌摩擦点接（FSSJ）由先进高强度钢（AHSS）制成的工件的系统和方法，其中，第一实施方式为FSSJ工具，该FSSJ工具不具有表面特征，并且其中，该FSSJ工具的旋转速率比在其它FSW技术中所使用的工具的旋转速率高得多，从而通过小规模地引起AHSS的塑化而降低转矩，并且在第二实施方式中，如果FSSJ工具由具有高硬度的传导工具材料制造而成，则可以常规的FSSJ速度利用传统的FSSJ工具，并且FSSJ工具和/或工件的加热增强了该FSSJ工具用以功能性地焊接该AHSS的能力。

通过考虑下列结合附图进行的详细说明，本发明的这些和其它目标、特征、优势和替代方面对于所属领域技术人员而言将变得明白。

附图说明

图1为现有技术的示图，其示出了平面状的工件的搅拌摩擦焊。

图2为由如在现有技术中所发现的强化硬度的工具钢制成的FSSJ点焊工具。

图3A为在互搭接头处的两个铝质工件的上方悬置的图2的FSSJ点焊工具的立体图。

图3B为已在互搭接头处冲入到两个铝质工件中的图2的FSSJ点焊工具的立体图。

图4为搅拌摩擦点接头的特写立体图。

图5为现有技术中发现的具有表面特征的FSSJ工具的立体图。

图6为如在本发明的第一实施方式中所教授的FSSJ工具的立体图，其中，该FSSJ工具不具有表面特征。

图7为可用于执行AHSS的FSSJ的针部和肩部轮廓的第二实施方式的特写立体图。

图8为示出了用于混合热生成的感应线圈的立体图的第三实施方式。

具体实施方式

将参考附图进行说明，在附图中，本发明的多种元件将以附图标记指代，并且其中，将讨论本发明以使得所属领域技术人员能够实施并利用本发明。将会明白的是，下列说明仅仅是本发明的原理的示例，并且不应当被视为限制所附的权利要求。

本发明利用两种不同的方法来解决如何接合AHSS工件的问题。然而，尽管形成本发明的主要动机是使得在车辆中所使用的AHSS的FSSJ成为可能，以便在车辆的构造中焊接坚韧但轻质的材料，这将导致提高的一加仑汽油所行驶的里程，但本发明的原理可应用于许多不同的材料，而不仅仅是AHSS。

第一方法是工具特征和FSSJ工具的操作的结合。图6为可在本发明的该第一实施方式中使用的FSSJ工具的立体图。与如在图2至5中所例示的现有技术中所使用的工具形成对照，本发明移除了所有的表面特征。如图6中所示，FSSJ工具50具有针部52、肩部54，并且不具有表面特征。被消除的表面特征为针部52和/或肩部54上的螺纹、平面、和朝向工具表面轮廓延伸或从工具表面轮廓挤出的其它特征。

一旦将表面特征从针部52和肩部54上移除，或者，在没有针部存在的情况下则仅从肩部54上移除，FSSJ工具50就以相对于其它FSSJ工具而言的高速率旋转。为了根据需要进行操作，已经确定FSSJ工具50需要以高于4000RPM的速度旋转。这是FSW范例的戏剧性的转变，在FSW范例中，使材料的“松散（bulk）”层通过表面特征在FSW期间在该工具的周围移动。

当利用不具有表面特征的FSSJ工具50时，并且当以高于4000RPM的速率旋转时，出现至少两种重要的结果。第一，在更高的RPM下，在FSSJ工具50上存在较小的转矩。第二，FSSJ工具和工件的界面（“工具/工件界面”）经受快速加热。当将FSSJ工具50冲入到工件中时，该工件在该工具/工件界面上被加热并且热量从工具/工件界面传递出去，以加热在工具轮廓的周围的松散材料。

重要的是，实际上，FSSJ工具50的高RPM形成在微观规模上的软化，而非作为FSW的特征的宏观规模上的软化。结果是在汽车构造中所使用的诸如金属板之类的工件可利用工具组件中的FSSJ工具而被接合，该工具组件可在现存的组件自动机械的机械手中操作。

本发明的第一实施方式的另一结果是，可与现有技术的FSW设计范例彻底脱离，用以研发并构造FSSJ设备。该设备必须能够处理高达50000RPM的FSSJ工具RPM。此外，特殊精密平衡工具保持系统对于精确地保持FSSJ工具而言会是有用的，心轴轴承必须被设计用于高于4000RPM的速度，并且同样会需要特定的心轴电机。

在本发明的替代实施方式中，该第一实施方式的变型包括利用相异的工具材料来构造FSSJ工具50，以便在该FSSJ工具上的不同位置处具有不同的摩擦联接。换言之，通过在FSSJ工具50的不同区域上使用不同的材料，使得FSSJ工具的一些部分使得与该FSSJ工具的其它部分相比，致使利用FSSJ与之相接触的材料进行更多的加热。

尽管本发明使得AHSS的FSSJ成为可能，但其它材料也可利用本发明被焊接。这些材料包括目前在车辆的构造中所使用的所有材料，并且应当被视为处于权利要求的范围内。

在本发明的第二实施方式中，提供另一FSSJ工具60，该FSSJ工具60与图6中的FSSJ工具50有关。在图7中，FSSJ工具60也可被归类为“无特征的”。然而，与图6中的包含肩部64和具有带有边缘58的截头锥形的针部52的FSSJ工具50不同，该第二实施方式的针部62为不具有任何边缘的圆顶形。

所注意到的是，第一实施方式的FSSJ工具50的边缘58并不妨碍FSSJ工具的旋转，这是因为它不具有会抑制FSSJ工具的旋转的路径的特征。

因此，本发明的一个方面是，任何FSSJ工具50可被视为处于本发明的权利要求的范围内，其不包扩可抓住工件材料或引起在工具的周围的增加的流量的表面特征。因此，一个重要的方面是消除那些会引起FSSJ工件50将工件材料搅动超出当通过以较高速率旋转并冲入到该工件中时该无特征的FSSJ工具将导致的现象的特征。换言之，通过消除表面特征，FSSJ工具50可以利用FSSJ工具上的最少量的转矩尽可能迅速地旋转。

在本发明的第一实施方式中，“无特征的”设计基本上是光滑的针部和肩部。然而，在替代实施方式中，包扩不阻止FSSJ工具以高于4000RPM的速度旋转的一些特征是可能的。换言之，可包括对于旋转速度或FSSJ工件上的转矩具有微小影响的一些特征。

因此，在一种实施方式中，在FSSJ工具上没有大于FSSJ工具直径的约10%且仍然处于本发明的范围内的表面特征。

在本发明的其它方面中，绝缘材料设置在FSSJ工具与正抓住并旋转该FSSJ工具的工具保持器之间。FSSJ工具可采用液体冷却或气流以保持FSSJ工具冷却。FSSJ工具的肩部是凸起的。可在FSSJ工具的周围利用惰性保护气体以在FSSJ过程期间提高工件流量。另外，针部的尖端的半径应当总是大于FSSJ工具半径的1.1%。

在本发明的第二实施方式中，代替增加FSSJ工具30的旋转速率并移除表面特征，而是使用常规现有技术的FSSJ工具，其包括用于导致工件70的流动的任何传统的表面特征。利用传统FSSJ工具30的关键是添加热量至工具70并且由此增加工具在传统的旋转速率且在具有传统的表面特征的情况下流动的能力。施加热量的一种方法是通过线圈72。

具体地，可使用使得能够在工具、工件70或工具和工件上施加热量的改型的FSSJ工具30，其将同样使得能够将FSSJ工具用于在以常规的FSW速度旋转的同时，功能性地焊接钢和铝。在该第二实施方式中，加热的目的是提高在FSSJ过程期间工件70材料的流动。施加热量在FSSJ过程的不同阶段期间会是有用的。影响应当何时且何处施加热量的因素中的一些包括正被点焊的特定的工件70材料、保护气体的用户、以及FSSJ工具上的表面特征。

可施加热量的次数和位置包括在FSSJ之前、期间和/或之后的工件。同样，可将热量施加至FSSJ工具自身，以便在FSSJ之前、期间和/或之后通过与工件接触而加热工件。

可用于加热该FSSJ工具和/或工件的任何方法均可被使用并且应当被视为处于本发明的权利要求的范围内。加热方法包括当不应当被视为限制于传导加热和电阻加热。

将会了解到的是，上述布置仅说明了对本发明的原理的应用。所属领域技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的前提下设想出多种变型和替代布置。所附权利要求旨在涵盖这种变型和布置。

Claims (19)

1.一种用于执行对金属工件的搅拌摩擦点接（FSSJ）的方法，所述方法包括下列步骤：

1）提供FSSJ工具，所述FSSJ工具包括柄杆、肩部和针部，其中，所述肩部和所述针部具有光滑表面并且不具有朝向FSSJ工具轮廓延伸或从所述FSSJ工具轮廓挤出的特征；

2）使所述FSSJ工具以高于每分钟4000转（RPM）的速率旋转；以及

3）使所述FSSJ工具冲入到至少两个金属工件中，并且随后将所述FSSJ工具从所述至少两个金属工件上移走，从而导致对所述至少两个金属工件的点焊。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括从由先进高强度钢（AHSS）、钢和铝构成的材料组中选择所述至少两个金属工件的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括提供具有截头锥形状的针部的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括提供具有圆顶形状的针部的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括通过将表面特征从所述FSSJ工具上移除而降低所述FSSJ工具上的转矩的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括快速加热工具/工件界面的步骤，其中，所述工具/工件界面设置在所述FSSJ工具与所述至少两个工件的任何部分相接触的位置。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括减少在所述至少两个工件上的宏观搅拌摩擦效应的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括在所述FSSJ工具中使用相异的工具材料，以由此在所述FSSJ工具的不同位置处获得不同的摩擦联接的步骤。

9.一种用于执行对金属工件的搅拌摩擦点接（FSSJ）的方法，所述方法包括下列步骤：

1）提供FSSJ工具，所述FSSJ工具包括柄杆、肩部和针部，其中，所述肩部和所述针部具有朝向FSSJ工具轮廓延伸或从所述FSSJ工具轮廓挤出的特征；

2）使所述FSSJ工具以高于每分钟4000转（RPM）的速率旋转；以及

3）使所述FSSJ工具冲入到至少两个金属工件中，并且随后将所述FSSJ工具从所述至少两个金属工件上移除，从而导致对所述至少两个金属工件的点焊。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括使得所述特征小于所述FSSJ工具的直径的10%的步骤。

11.一种用于执行对金属工件的搅拌摩擦点接（FSSJ）的方法，所述方法包括下列步骤：

1）提供FSSJ工具，所述FSSJ工具包括柄杆、肩部和针部，其中，所述肩部和所述针部具有朝向FSSJ工具轮廓延伸或从所述FSSJ工具轮廓挤出的特征；

2）提供用于加热所述FSSJ工具的方式，以由此更为迅速地加热所述至少两个金属工件的与所述FSSJ工具相接触的至少一部分，从而增加所述至少两个金属工件在所述FSSJ工具的周围的流动速率；以及

4）使所述FSSJ工具冲入到所述至少两个金属工件中，并且随后将所述FSSJ工具从所述至少两个金属工件上移除，从而导致对所述至少两个金属工件的点焊。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法还包括加热所述至少两个金属工件以由此增加所述至少两个金属工件在所述FSSJ工具的周围的流动速率的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括在所述FSSJ工具在所述至少两个工件中形成点焊之前、期间或之后，选择性地加热所述FSSJ工具和所述至少两个工件的步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括从由感应加热和电阻加热构成的加热方式组中选择加热所述FSSJ工具和所述至少两个工件的方式。

15.一种用于执行对金属工件的搅拌摩擦点接（FSSJ）的系统，所述系统包括：

FSSJ工具，所述FSSJ工具包括柄杆、肩部和针部，其中，所述肩部和所述针部具有光滑表面并且不具有朝向FSSJ工具轮廓延伸或从所述FSSJ工具轮廓挤出的特征；以及

旋转装置，所述旋转装置用于使所述FSSJ工具以高于每分钟4000转（RPM）的速率旋转。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述至少两个金属工件从由先进高强度钢（AHSS）、钢和铝构成的材料组中选择。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述针部具有截头锥形状。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述针部具有圆顶形状。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述FSSJ工具还包括相异的工具材料，以由此在所述FSSJ工具的不同位置处获得不同的摩擦联接。

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