CN105209209A - 摩擦点焊和摩擦缝焊 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于使用棒材将上部材料层点焊和缝焊到下部材料层的系统和方法。所述棒材可以是非消耗性棒材，也可以是消耗性棒材。

Description

摩擦点焊和摩擦缝焊

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年1月22日提交的美国临时专利申请No.61/849,224、2013年4月30日提交的美国临时专利申请No.61/817,510和2013年6月26日提交的美国临时专利申请No.61/839,562的申请日的权益。以上引用的临时专利申请中的每一个据此以其全文以引用的方式并入本文。

领域

本发明涉及用于将第一材料层点焊到至少一个附加材料层的系统和方法，并且涉及用于将第一材料层搭接缝焊到至少一个附加材料层的系统和方法。

背景

点焊方法

用于在两种或更多种材料之间获得搭接接缝的当前已知的方法包括搅拌摩擦点焊、电阻点焊、激光点焊、各种电弧焊接工艺、超声波焊接和铆接。

图1A-1D描绘了搅拌摩擦点焊(FSSW)(搅拌摩擦焊接(FSW)的分支)的过程。如图所示，典型的FSSW顺序包括(A)突进、(B)旋转和(C)缩回。在图1D中示出通过FSSW方法产生的典型的搅拌摩擦点焊的横截面图像。如图所描绘，FSSW焊接通过不可避免地保留在焊接熔核中心的孔(在销被抽出时留下)来表征。已经发现，该孔由于腐蚀和其它问题而限制焊接组件的寿命。FSSW的“再填充模式”变体使用了由销、肩部和外夹组成的工具以使得能够捕获在突进顺序期间挤出的闪光材料。随后使所捕获的闪光材料沉积回出口孔中以形成与顶表面齐平的焊缝。虽然“再填充模式”消除了出口孔，但使用“再填充模式”产生的焊接表现出与常规FSSW焊接相比较差的抗疲劳性能。目前，仅将FSSW工艺应用于具有低熔融温度的材料诸如铝镁合金。用于焊接较硬的材料诸如钢、不锈钢、镍基合金等的FSSW工艺的使用由于工具材料的高成本而受限。

虽然电阻点焊不受与FSSW方法相关的孔形成问题的影响，但常规的电阻点焊既表现出物理缺陷(例如，孔隙和裂缝)，又表现出冶金缺陷(例如，显微偏析和相位变换)。具有高的碳当量的钢典型地需要进行附加的焊后退火处理。不同金属点焊的一些组合可能破裂。另外，需要更多的能量来完成对表现出高导电性的金属(诸如铜和铝合金)的电阻点焊。

常规的激光点焊技术导致在形成于材料之间的接缝中尤其是在铝合金中产生孔隙，并且高强度材料(例如，钢)由于快速冷却将会破裂。另外，常规激光设备成本较高。电弧焊接工艺诸如气体保护钨极电弧点焊、气体金属电弧点焊、微束等离子电弧点焊等既表现出物理缺陷(例如，孔隙和裂缝)又表现出冶金缺陷(例如，显微偏析和相位变换)。超声波点焊典型地限于厚度小于1mm的薄片材料。常规的铆接方法产生机械结合而不是冶金结合。通过所述铆接方法产生的接缝与通过其它常规方法产生的接缝相比较重并且具有相对较差的性能。

缝焊方法

通常，将其中工件充分重叠以防止薄片边缘成为焊缝的一部分的接缝分类为搭接缝焊缝。可以将常规的搭接缝焊工艺分类为基于熔化的(包括电阻缝焊、激光束焊接、电子束焊接、等离子弧焊接、硬钎焊和软钎焊)和基于固态的(包括超声波焊接和轧制结合)。通过常规的基于熔化的方法所产生的搭接缝焊缝通常存在各种各样的问题，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。破裂、熔融金属的排出和不清洁的工件表面都能引起有缺陷的电阻缝焊缝。超声波缝焊的局限性包括不能焊接大而厚的基底金属以及基底金属结合到铁砧或超声焊极的趋势。轧制结合(冷轧结合和热轧结合)涉及热处理。金属诸如钛和合金由于它们的反应性和窄的工作温度范围而难以轧制结合。

通常，包覆是指填充金属沉积在基体金属上以赋予耐腐蚀特性、耐磨损特性或基体金属所不具有的一些所需特性。可以将常规包覆工艺分类为基于熔化的(包括电弧焊接工艺、软钎焊、电子束焊接和激光束焊接)和固态焊接工艺(包括爆炸包覆、摩擦堆焊和轧制结合)。通过常规的基于熔化的方法所产生的包层金属通常存在各种各样的问题，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。在所述基于熔化的包层金属中可能存在高的稀释比例(基底金属在包层金属中的量)。在沉积电弧包覆工艺(诸如工业中广泛使用的埋弧)中，稀释比例典型地非常高。爆炸包覆典型地限于具有最小韧性的金属。摩擦堆焊由于其不能以较少的时间产生较大的包层面积而受限。轧制包覆(冷轧包覆和热轧包覆)涉及热处理。金属诸如钛和合金由于它们的反应性和窄的工作温度范围而难以轧制包覆。

常规地，使用加性制造方法以及加性和选择性减性制造方法来制造分层的多材料结构组件。三维(3D)组件的逐层制造可由对象的计算机辅助设计(CAD)模式直接制造而成。激光工程化净成形、直接金属沉积、选择性激光熔融和电子束熔融被包括在视为加性制造方法的多种工艺之内，通过这些加性制造方法通过熔融和固化实现材料添加。由于这些工艺中所涉及的熔融和固化，通过这些技术制造的零件受到以下限制(参看图2A-2G)：1)未熔融区，这些未熔融区导致粉末颗粒之间缺乏结合；2)孔隙度；3)固化破裂敏感性；4)铸态显微组织和显微偏析，这导致组成上的不均匀性；5)显著的拉伸残余应力聚集；6)大组件较长的生产时间(构造速率通常小于1克/分钟)；以及7)刚性问题。很多不同的金属组合并不能通过这些工艺沉积，因为所产生的沉积层破裂。

已使用固态加性制造方法(其中不存在液体到固体变换)解决基于液体到固体的加性制造方法的很多缺点。超声波固化(UC)是将要商业化的第一固态加性和选择性减性制造方法，并且被示出为克服基于熔化的方法的一些局限性。与基于熔化的加性制造方法相比，UC是用于构建近净形零件的典型的加性和选择性减性制造方法，随后使用集成的3轴CNC铣床来将该近净形零件机械加工成其成品尺寸。然而，UC受到其自身主要局限性的影响，包括如图2A-2G所示箔间缺陷的形成。此外，在UC工艺中，如果基体刚性不够，那么在正沉积的箔与基体之间无法形成摩擦。另外，通过采用受热基板在300℉下进行常规的UC工艺。该工艺的主要局限性在于其可被应用于几微米厚的金属层。因此，需要花费显著较长的时间来构造3D组件。常规的UC工艺应用于较高强度的合金诸如钛由于所产生的不一致的结合质量和较差的通孔性能而非常受限。由于很难转移界面上的工艺参数，因此UC工艺需要附加的时间来固化较厚的薄片。因此，常规的基于熔化的和固态的加性制造方法以及加性和选择性减性制造方法受到物理限制、冶金限制和机械限制。

因此，在相关领域中，需要用于在各种硬质材料与软质材料之间形成牢固的搭接接缝同时避免了常规点焊方法的物理缺陷和冶金缺陷的系统和方法。在相关领域中，进一步需要用于在各种硬质材料与软质材料之间形成牢固的搭接缝焊缝同时避免了常规缝焊方法的物理缺陷和冶金缺陷的系统和方法。在相关领域中，进一步需要在包覆和加性制造应用中应用这些搭接缝焊。

概述

在一个方面，本文描述了将上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的方法。可以使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系定位。上部材料层和下部材料层可以具有相应的顶表面和底表面。该方法可以包括使棒材相对于焊接轴轴向地前进和旋转，以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面。该方法还可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑。在上部材料层的该部分增塑的情况下，该方法可以进一步包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，由此在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合。该方法可以进一步包括使棒材相对于焊接轴轴向地缩回，以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。任选地，该棒材可为消耗性棒材。可以设想的是，该棒材可以穿透到上部材料层的至少一部分中。可以进一步设想的是，该棒材的增塑部分可以在棒材缩回之前填充腔体。

还描述了用于实施所公开的点焊方法的系统。所述系统可以包括棒材，该棒材具有与焊接轴基本上轴向对齐的纵轴。这些系统还可以包括用于使棒材相对于焊接轴选择性地轴向移动的装置和用于使棒材围绕棒材的纵轴选择性旋转的装置。

在另一个方面，本文描述了使上部材料层相对于垂直轴(z轴)搭接缝焊到下部材料层的方法。可以使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定。可以使上部材料层和下部材料层定位在垂直于垂直轴的平面内。上部材料层和下部材料层可以被构造用于沿着焊接横轴(x轴)和贯轴(y轴)移动。

搭接缝焊的方法可以包括：使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面；以及向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑。在上部材料层的一部分增塑的情况下，该方法可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形。该方法可以进一步包括使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向地前进所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合。在完成焊接后，该方法可以包括使棒材相对于垂直轴轴向地缩回，以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。可以通过在上部材料层和下部材料层相对于贯轴轴向移位后重复以上步骤来形成多道缝焊缝。

还描述了用于实施所公开的搭接缝焊方法的系统。所述系统可以包括棒材，该棒材具有与垂直轴基本上轴向对齐的纵轴。这些系统还可以包括用于使棒材相对于垂直轴选择性地轴向移动的装置、用于使棒材围绕棒材的纵轴选择性旋转的装置和用于使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴(以及任选地，贯轴)选择性地轴向移动的装置。

本发明的附加优点将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地从该描述将是显而易见的，或可以通过本发明的实践习得。本发明的优点将通过随附权利要求中具体指出的要素和组合实现和获得。应该理解，以上一般描述和以下详细描述都仅是示例性和解释性的，而并不旨在限制所要求保护的本发明。

附图详述

本发明的优选实施方案的这些和其它特征在参照附图进行的以下详细描述中将变得更加明显，其中：

图1A-1D描绘了如本领域中所已知的示例性搅拌摩擦点焊(FSSW)工艺。图1A-1C描绘了FSSW工艺的顺序。图1D是示例性FSSW焊接的横截面图像。

图2A-2G提供了指示常规焊接、包覆和加性制造方法的缺点的一系列图像。

图3是用于如本文所述将上部材料层点焊到下部材料层的示例性旋转棒材的示意图。

图4A-4B是使用本文所述的摩擦点焊方法所形成的示例性焊接的横截面图。

图5是描绘了如本文所述的示例性摩擦点焊方法的顺序步骤的示意图。

图6A-6B是描绘了如本文所述示例性摩擦点焊方法的步骤的流程图。

图7是用于如本文所述将上部材料层搭接缝焊到下部材料层的示例性旋转棒材的示意图。

图8A-8C提供了如本文所述的示例性搭接缝焊系统的(a)棒材和材料层、(b)固定平台和(c)控制面板。

图9是描绘了如本文所述的示例性搭接缝焊方法的步骤的流程图。

图10是描绘了如本文所述的多道搭接缝焊缝的形成的示意图。

图11是用于执行本文所述的摩擦点焊方法的示例性系统的透视图。图12是图11的系统的侧向透视图。图13是图12的系统的沿着线13-13截取的横截面图。

图14-17是使用消耗性AISI304棒材实现的示例性点焊的图像。

图18-20是使用消耗性C-Mn钢棒材实现的示例性点焊的图像。

图21-24是使用消耗性AISI304棒材和消耗性Inconel718棒材实现的示例性点焊的图像。

图25-32是使用非消耗性商业纯钼棒材实现的示例性点焊的图像。

图33是使用非消耗性AISI304棒材在铝合金之间实现的示例性点焊的图像。

图34-36是使用非消耗性AISI304棒材在非铁金属薄片之间实现的示例性点焊的图像。

图37-38是使用非消耗性AISI304棒材在不同金属薄片之间实现的示例性点焊的图像。

图39显示了在焊接已进行了剥离测试后，使用本文所述的摩擦点焊方法所实现的示例性点焊的图像。

图40A显示了两个CPMg薄片之间的示例性焊接的上部材料层的底表面的图像。图40B显示了图40A所示焊接的扫描电子显微镜图像。

图41显示了使用本文所述的摩擦点焊方法所实现的示例性点焊的横截面图像。

图42-45是用于接合金属的示例性摩擦缝焊缝(单道)的图像。

图46A-50B是对于加性制造应用来说具有类似化学组成的材料之间的示例性摩擦缝焊缝(多道)的图像。

图51A-53B是用于加性制造应用的不同化学组成材料之间的示例性摩擦缝焊缝(单缝)的图像。

图54A-57B是用于包覆应用的示例性摩擦缝焊缝的图像。

图58A-61是示出在弯曲测试后各种摩擦缝焊缝的外观的图像。

图62-65C是示出在剪切测试后各种摩擦缝焊缝的外观的图像。

图66A和66B显示了使用本文所述的摩擦缝焊方法在类似材料之间实现的示例性缝焊缝的横截面图像。

图67是在腐蚀测试后在包覆层与基体层之间的示例性摩擦缝焊缝的横截面图像。

图68A-68C描绘了在上部材料层与下部材料层之间具有经过研磨的微通道的单缝焊缝。图69描绘了图68A-68C的缝焊缝的射线照相图像。图70描绘了离开图68A-68C的缝焊缝的微通道的水。

详述

通过参照以下详细描述、例子、附图和权利要求以及先前和以下对它们的描述，可以更容易地理解本发明。然而，在公开和描述本发明的装置、系统和/或方法之前，应该理解，本发明并不限于所公开的特定装置、系统和/或方法，除非另有说明，因为所述装置、系统和/或系统必然会发生变化。还应该理解，本文所使用的术语仅仅是出于描述具体方面的目的而并非意在进行限制。

本发明的以下描述被提供为以最佳的、当前已知的实施方案实现对本发明的教导。为此，相关领域的技术人员应认识到并理解，对本文所述发明的各个方面可以进行多种变化，同时仍然获得本发明的有益效果。同样明显的是，本发明的一些期望益处可以通过选择本发明的一些特征而不利用其它特征来实现。因此，本领域技术人员将认识到,对本发明的许多改变和修改都是可能的,在某些情况中甚至可能是需要的,并构成本发明的一部分。因此，以下描述可被提供作为对本发明原理的说明，但不构成对本发明的限制。

如在全文使用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指代物，除非文中另有明确说明。因此，例如，对“棒材”的引用可以包括两个或更多个所述棒材，除非文中另有说明。

本文可将范围表示为从“约”一个具体值和/或至“约”另一个具体值。当表达这样一个范围时，另一方面包括从该一个具体值和/或到该另一个具体值。类似地，当使用先行词“约”将值表达为近似值时，应理解，该具体值构成另一方面。应进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点以及独立于另一个端点都是有意义的。

本文所用的术语“任选的”或“任选地”是指，随后描述的事件或情形可发生也可不发生，和描述包括其中所述事件或情形出现的情况和其中所述事件或情形不出现的情况。

本文所用的词语“或”是指具体列表中的任一成员并且也包括此列表成员的任一组合。

本文所用的术语“使增塑”和“增塑”是指棒材、材料层和/或其它金属或合成金属材料的较大变形和软化。

本文参照图3-6B和11-13描述了用于将上部材料层14相对于焊接轴点焊到下部材料层16的系统和方法。可以将上部材料层14与下部材料层16的至少一部分以覆盖关系定位。任选地，在一个方面，可以设想的是，上部材料层14的一个或多个边缘可以与下部材料层16的一个或多个对应边缘基本上对齐。在另一方面，上部材料层14和下部材料层16可以具有相应的顶表面和底表面(对于上部材料层，15a、15b；而对于下部材料层，17a、17b)。在示例性方面，可以设想的是，上部材料层14和下部材料层16可以以薄片的形式来提供。然而，可以设想的是，上部材料层14和下部材料层16可以以允许上部材料层的至少一部分覆盖下部材料层的至少一部分以使得上部材料层可以被焊接到下部材料层的任何形式来提供。可以进一步设想的是，可以在上部材料层14与下部材料层16之间提供一个或多个中间材料层，而不影响所公开的系统和方法在上部材料层与下部材料层之间形成点焊的能力。

可以设想的是，本文所公开的系统和方法可以实现与使用常规焊接方法所实现相比更牢固的点焊，而不会在焊接材料中留下孔。可以进一步设想的是，本文所公开的系统和方法可以用于将可以使用常规方法焊接在一起的多种材料(包括例如硬金属和高导电性材料)焊接在一起。可以进一步设想的是，本文所公开的系统和方法可以用于各种工业焊接应用，包括例如但不限于汽车工业、飞机工业、航空航天工业、核工业、海洋工业、化学工业和加工行业中的应用。

摩擦点焊系统

在示例性方面，可以提供用于将上部材料层14相对于焊接轴焊接到下部材料层16的点焊系统。在一个方面，该点焊系统可以包括棒材10，该棒材具有夹头端11、相对远端12和纵轴13。在该方面，棒材10可以具有在约5mm至约25mm范围内的直径。可以设想的是，在如本文所公开使用棒材10形成点焊之前，该棒材可以具有在约50mm至约100mm范围内的纵向长度(从棒材的夹头端11到远端12)。可以进一步设想的是，棒材10的纵轴13可以与焊接轴基本上轴向对齐。在示例性方面，棒材10可以相对于其纵轴13轴向成锥形。虽然在本文一般描绘和描述为是具有圆形截面的基本上圆柱形的棒材，但可以设想的是，棒材10可以具有任一种所选择的截面形状，包括例如但不限于矩形、方形和椭圆形截面形状。任选地，在一些方面，棒材10可为非消耗性棒材。或者，在其它任选的方面，可以设想的是，该棒材可为消耗性棒材。

在另一方面，点焊系统可以包括用于使棒材10相对于焊接轴选择性地轴向移动的装置。在该方面，可以设想的是，用于选择性地轴向移动棒材10的装置可以被构造成向该棒材相对于焊接轴施加轴向力。可以进一步设想的是，该轴向力可以在约1,000牛顿(N)至约25,000N的范围内。用于使棒材10选择性地轴向移动的示例性装置包括例如但不限于轴向主轴、伺服电机和如本领域中公知的其它机动化/轴向平移机构。在另一方面，点焊系统可以包括用于使棒材10围绕棒材的纵轴选择性地旋转的装置。在该方面，可以设想的是，用于使棒材10选择性地旋转的装置可以被构造成以约1,000转每分钟(RPM)至约3,000RPM范围内的旋转速率旋转棒材。用于使棒材10选择性地旋转的示例性装置包括例如但不限于旋转主轴、伺服电机和如本领域中公知的其它机动化/旋转平移机构。

在示例性方面，可以设想的是，点焊系统可以包括常规的焊接机，该焊接机被构造成使棒材如本文所公开选择性地移动和旋转。如本文所公开使用的示例性焊接机包括例如但不限于RM-1模型搅拌摩擦焊接机(ManufacturingTechnology,Inc.)，和如美国专利No.6,554,175和美国专利申请公开No.2003/0209586中所公开的搅拌摩擦焊接机，这两个专利均以其全部内容以引用的方式并入本文。

因此，在示例性方面，并且参照图11-13，点焊系统可以包括由框架或机架22和延伸穿过其中的基底24组成的焊接机20。基底24可以支撑工作台26，该工作台可沿基底24的长度在大致水平方向上滑动(手动地或自动地)。工作台28可以支撑各种材料层(示为28、30、31)，这些材料层可以使用本文所公开的方法彼此相邻固定以形成接缝32、33。如本文所公开将材料层28、30、31沿着接缝32、33摩擦点焊可以使零件28、30、31以整体件的方式固定在一起。机架22可以具有在基底24的横向道轨38、40的外部但邻近这些侧向道轨间隔开的一对柱状物或支柱34、36。柱状物34、36可以分别通过下部、中间和上部横向构件或横向导轨42、44、46接合在一起。铁砧48可以刚性地连接到下部横向构件42的顶部。道轨38、40中的每一个均可通过立柱39接合到下部横向构件42以使框架22和基底24连接成整体结构。主轴托架或滑动装置50可以通过一对线性导轨或轴承52安装到中间横向构件44。主轴托架50还可以操作性地连接到驱动器54，该驱动器使得线性托架50在基本上垂直于基底24的纵向道轨38、40的大致水平方向上运动。驱动器54可以具有各种已知类型，但图示驱动器54为可从俄亥俄州代顿市的JoyceDayton商购的5吨“ComDRIVEACTUATOR”。驱动器54可以使用千斤顶或螺钉56，该千斤顶或螺钉的可旋转地安装在轴承上的一端被附接到柱状物36。螺母(未示出)可以以已知的方式附接到主轴托架50的后侧。驱动器54可以进一步包括电力源58例如三马力AC感应电机，该电力源通过可从俄亥俄州辛辛那提市的CincinnatiElectric商购的机械联接件(例如，涡轮传动装置60)联接到螺钉56的相对端。驱动器54可能能够提供约10,000磅的水平驱动力。

主轴或工具头62可以通过线性导轨或轴承64可滑动地安装到主轴托架50。参照图12，可以使用一对线性导轨64；并且可以将导轨64侧向定位在主轴托架50的相对端上。主轴62可以操作性地连接到第二驱动器65用于使主轴62在基本上垂直于主轴托架导轨52和基底24的纵向道轨38、40的大致垂直线性路径上移动。第二驱动器65可以具有各种已知类型，但所示驱动器65具有螺钉66，该螺钉在其上端可旋转地安装到主轴托架50。主轴62可以通过螺母(未示出)垂直地移动，该螺母承载刚性连接到主轴62的支架70。参照图12，电力源72(例如，一马力电机)可以通过齿轮箱74机械联接到螺钉66的上端。因此，电机72和螺钉66的旋转可以是操作性的，以使承载支架70和主轴62的螺母68在大致垂直方向上移动。

主轴62可以刚性连接到一对棒材或支架76的下端，这些棒材或支架的上端连接到对应驱动器78的可移动部分77。驱动器78可以充当焊接力生成器并且由一对功率致动器(例如，可从印第安纳州卡梅尔的Firestone商购的空气冲程致动器型号1T15S-6)组成。可以设想的是，空气冲程致动器78可以具有以下所需特征，即在它们的总位移范围内具有有限的冲程或位移，其中它们通过所述有限的位移施加相对恒定的力。因此，通过所述有限的位移，可以设想的是，正由致动器施加的力是已知的、相对恒定的幅值并且独立于机器结构的任何偏转进行施加。致动器78可以具有刚性地连接到板80的可移动部分77，该板通过线性导轨82可滑动地安装到上部横向构件46。线性导轨82可以基本上沿上部横向构件46的下表面83的纵向中心线定位。线性导轨52、64、82可为已知装置诸如可从纽约华盛顿港市的Tompson公司商购的Tompson线性导轨。

参照图12-13，可以设想的是，棒材10可以相对于上部材料层的顶表面垂直地或以微小角度(例如，在0度与4度之间)取向。棒材10的角取向可以通过使主轴62围绕平行于道轨38、40的旋转轴顺时针旋转小的角度来实现。参照图13，主轴62可以通过枢轴销87枢转地安装到板85；并且可以将板85安装到主轴托架50上的线性导轨64。因此，主轴62和棒材10可以成角度地移位例如多达五度，并且通过螺栓或其它装置夹持到板85。

棒材10可由安装在主轴62上的可从CincinnatiElectric商购的主轴电机84(例如，25马力电机)供电。参照图13，主轴电机84可以通过带驱动器88可旋转地联接到主轴轴杆86的上端。主轴轴杆86可以通过轴承90可旋转地安装在主轴62中。可以将工具支持物92(用于固持棒材10)安装到主轴轴杆86的下端，并且可以将棒材10安装在工具支持物92内。工具支持物92可由具有低导热性的材料例如不锈钢制成，以使得可以将来自焊接工艺的和棒材10中的仅最低热量传导到主轴62的其它组件例如轴承90。主轴盖96还可以连接到主轴62的下端并且可以覆盖主轴轴杆86的下端的一部分。可以使辊97a、97b可旋转在安装在辊支撑物或转向架100中在相应的轴或销98a、98b上。主轴盖96的下端可以具有大体U形夹。辊转向架100可以通过一对肩部螺栓枢转地安装在主轴盖96的U形夹内，这对肩部螺栓延伸穿过U形夹的相对臂部中的穿通孔并且被拧进主轴盖96的相对边内。可以使辊97a、97b之一定位在工具10和接缝32的每一边上。参照图13，辊97a、97b可以接触相应材料层28、30的上表面。辊97可以围绕旋转轴102转动，该旋转轴基本上垂直于棒材10的旋转轴104并且基本上平行于基底24的纵向道轨38、40(图11)。

在示例性方面，可以设想的是，点焊系统可以包括用于影响如本文所述棒材10的移动和旋转的加工装置。在这些方面，可以设想的是，该加工装置可以包括具有处理器的计算机。可以进一步设想的是，该处理器可以被构造成使得点焊系统根据以下预设参数以所需方式影响移动和/或旋转，这些预设参数包括例如但不限于旋转速率、突进深度、馈送率、所施加的轴向力等。可以进一步设想的是，该加工装置可以包括控制面板，该控制面板与处理器操作性通信进行定位以使得用户可以选择性地调整缝焊系统的操作参数。在另外的示例性方面，可以设想的是，计算机可以具有与处理器操作性通信的存储器。在这些方面，可以设想的是，该存储器可以被构造成存储预定系统参数，例如但不限于旋转速率、突进深度、馈送率、所施加的轴向力等。

摩擦点焊方法

在操作中，并且参照图3-6B，在将上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的点焊方法中可以使用点焊方法。在一个方面，点焊方法可以包括使棒材相对于焊接轴轴向地前进和旋转，以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面。在另一方面，点焊方法可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑。任选地，在另一方面，当棒材为消耗性棒材时，可以设想的是，点焊方法可以包括向旋转棒材施加轴向力，以使得棒材的远端与上部材料层之间的摩擦热使棒材的远端的一部分和上部材料层的一部分增塑。

在上部材料层的一部分增塑的情况下，点焊方法可以进一步包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形。可以设想的是，上部材料层与下部材料层之间的界面上的这种变形可以导致在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合。

可以设想的是，棒材远端和上部材料层处的温度的突然升高可以导致较大的塑性变形。可以进一步设想的是，温度的这种突然升高可能是由于因塑性变形期间的粘性散热引起的绝热加热。在操作中，棒材可以以给定的旋转速率旋转，并且施加到棒材的轴向负载可以赋予上部薄片的顶表面上的增塑金属以旋转力。可以设想的是，所赋予的旋转力可以由于上部材料层的底表面与下部材料层的顶表面之间的界面上的剪切力而引起弹塑性变形。更具体地，切向(离心或旋转)力可以导致材料层的中心部分与材料层的外围部分之间的旋流线发生变形。(参看图40A-40B)。可以进一步设想的是，该界面上的高度局部化的粘滞和滑动可以使得表面氧化物和表面膜分解。这反过来可以有利于界面上的接触表面之间的金属间接触。金属间接触区域由于持续的粘滞和滑动机制而可以增长，从而形成连续的冶金结合界面。另外，可以设想的是，上部材料层与下部材料层之间的界面上的局部温度由于传导(由旋转的增塑金属赋予)、截面粘滞-滑动机制和塑性变形的组合效应可能升高。可以进一步设想的是，界面上的温度的这种升高可有助于在上部材料层与下部材料层之间的界面上发生固态扩散。因此，上部材料层与下部材料层之间的界面上的冶金结合可能由以下原因引起：一个或多个操作机制，包括界面上的局部粘滞和滑动，该粘滞和滑动趋向于使表面氧化物和表面膜分解；以及当上部材料层和下部材料层在通过棒材施加的高轴向力下固持在一起时，上部材料层与下部材料层之间的扩散。图4B描绘了奥氏体不锈钢材料层之间的冶金结合。如图所描绘，在界面上的材料层之间存在完全结合。图41提供了在上部材料层与下部材料层之间的界面附近的微结构的图像。该图像显示了嵌入在基质中的离散的氧化物颗粒，这表明粘滞-滑动机制引起表面氧化物的分解。从一个材料层延伸到另一个材料层的晶粒表明两个材料层之间的扩散。

在一个示例性方面，可以设想的是，可以使至少一个中间材料层定位在上部材料层与下部材料层之间。在该方面，可以设想的是，在上部材料层的一部分增塑的情况下，点焊方法可以进一步包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和中间材料层的顶表面的一部分变形。轴向力的施加可以继续直到至少一个中间材料层的底表面和下部材料层的顶表面变形。可以进一步设想的是，各种材料层之间的界面上的这种变形可以导致在上部材料层与中间材料层之间以及在中间材料层与下部材料层之间形成冶金结合。当使用了超过一个中间材料层时，可以在各种中间材料层之间形成冶金结合。

在另一方面，点焊方法可以进一步包括使棒材相对于焊接轴轴向缩回，以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

任选地，在一个方面，当棒材为消耗性棒材时，向旋转棒材施加轴向力这一步骤可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端与上部材料层之间的摩擦热使棒材远端的一部分增塑。在该方面，可以进一步设想的是，在消耗性棒材的远端的一部分和上部材料层的一部分增塑的情况下，可以向旋转棒材施加轴向力，以使得棒材的远端穿透上部材料层的至少一部分，由此界定腔体。可以进一步设想的是，棒材远端的增塑部分可以在棒材从上部材料层缩回之前填充腔体。可以进一步设想的是，在缩回棒材以使得棒材的远端从腔体去除后，棒材的纵向长度可以在约45mm至约90mm的范围内。

可以进一步设想的是，棒材远端的增塑部分(其填充腔体)可以与上部材料层的增塑部分保持分离。然而，在一些示例性应用中，可以设想的是，可以形成小的混杂区(厚度在几微米内)，该混杂区包含棒材的增塑部分与上部材料层的增塑部分的混合物。

在示例性方面，上部材料层和下部材料层可以具有相应的厚度。在这些方面，可以设想的是，上部材料层的厚度和下部材料层的厚度均可在约0.5mm至约3.25mm的范围内。在一个方面，上部材料层的厚度可以基本上等于下部材料层的厚度。或者，在另一个方面，上部材料层的厚度可以大于下部材料层的厚度。在另一个方面，可以设想的是，上部材料层的厚度可以小于下部材料层的厚度。

在示例性方面，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材的纵轴可以基本上垂直于上部材料层的顶表面(并且与焊接轴基本上轴向对齐)。或者，在其它示例性方面，可以设想的是，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材的纵轴可以相对于焊接轴成角度取向。在这些方面，可以设想的是，棒材的纵轴可以相对于焊接轴以在约1度至约4度范围内的角度定位。

在一个示例性方面，上部材料层和下部材料层均可以包含第一材料。在该方面，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第一材料。或者，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含不同于第一材料的第二材料。

在另一示例性方面，上部材料层可以包含第一材料，并且下部材料层可以包含不同于第一材料的第二材料。在该方面，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第一材料。或者，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第二材料。可以进一步设想的是，棒材的至少远端可以包含不同于第一材料和第二材料的第三材料。

在另外的示例性方面，上部材料层可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，上部材料层可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

类似地，在其它示例性方面，下部材料层可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，下部材料层可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

在使用了中间材料层的情况下，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含以上相对于上部材料层和下部材料层所列举的示例性材料之一。因此，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含与上部材料层和下部材料层中的一个或多个相同的材料。类似地，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含与上部材料层和下部材料层的材料具有不同的化学组成和/或性能的材料。

在其它示例性方面，棒材可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，棒材可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

任选地，在一些方面，棒材可以包含与将要焊接的至少一个材料层的材料相同的材料。例如，当这些材料层包含钢、不锈钢或Inconel时，可以设想的是，棒材可以包含与材料层相同的材料。或者，可以设想的是，棒材可以包含与将要焊接的材料层的材料不同的材料。例如，当这些材料层包含铝、铜或钛时，可以设想的是，棒材可以包含与材料层的材料不同的材料。在示例性方面，可以设想的是，可以使用不锈钢棒材来将铝合金、CPCu、CPMg、黄铜或Ti6A14V的上部材料层和下部材料层焊接在一起。

任选地，在另外的示例性方面，可以设想的是，棒材的远端可以穿透上部材料层的至少一部分以使得棒材的远端相对于上部材料层的顶表面定位在所选择的深度处。

在示例性方面，在将上部材料层焊接到下部材料层之前，可以对上部材料层和下部材料层的顶表面的至少一部分进行研磨以产生具有所选择表面粗糙度(Ra)的表面光洁度。在这些方面，可以设想的是，表面粗糙度(Ra)可以在约1μm至约2μm的范围内。可以进一步设想的是，可以对棒材的至少一部分例如棒材远端的至少一部分进行研磨以产生具有所选择表面粗糙度(Ra)的表面光洁度。在示例性方面，可以设想的是，棒材的所研磨部分的表面粗糙度(Ra)可以在约1μm至约2μm的范围内。

在一个方面，所公开的方法可以具有对应的循环时间(持续时间)。在该方面，可以设想的是，该方法的循环时间可以在约5秒至约60秒的范围内。在另一方面，可以设想的是，向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层这一步骤可以具有相关停留时间。在该方面，可以设想的是，该停留时间可以在约1秒至约10秒的范围内，并且最优选地，约10秒。在另一方面，可以设想的是，棒材可以以所选择的馈送率穿透上部材料层。

任选地，在另一方面，可以设想的是，棒材可以透入上部材料层中在预设突进深度处。在该方面，对于消耗性棒材来说，预设突进深度可以任选地在约1.0mm至约50mm的范围内。对于非消耗性棒材来说，可以设想的是，预设突进深度可以任选地在约0.05mm至约2mm，并且更优选地，在约0.05mm至约0.5mm的范围内。可以设想的是，实际(已实现的)突进深度可以在上部材料层的厚度的约25％至约50％范围内，并且更优选地，上部材料层的厚度的约25％。因此，可以设想的是，实际(已实现的)突进深度可以任选地在约0.1mm至约1.5mm的范围内。可以设想的是，即使预设突进深度可以超过材料层的总厚度，棒材的实际透入也永远不会超过上部材料层的厚度。可以设想的是，焊接系统的处理电路可以评估棒材针对上部材料层的透入，以及棒材长度的减少，以确定棒材的实际突进深度。

摩擦搭接缝焊

本文参照图7-13描述了用于将上部材料层14相对于垂直轴(z轴)200搭接缝焊到下部材料层16的系统和方法。可以使上部材料层14与下部材料层16的至少一部分以覆盖关系定位。任选地，在一个方面，可以设想的是，上部材料层14的一个或多个边缘可以与下部材料层16的一个或多个对应边缘基本上对齐。在另一个方面，上部材料层14和下部材料层16可以具有相应的顶表面和底表面。在示例性方面，可以设想的是，上部材料层14和下部材料层16可以以薄片的形式提供。然而，可以设想的是，上部材料层14和下部材料层16可以以允许上部材料层14的至少一部分覆盖下部材料层16的至少一部分以使得上部材料层可以被焊接到下部材料层的任何形式来提供。可以进一步设想的是，可以在上部材料层14与下部材料层16之间提供一个或多个中间材料层，而不影响所公开的系统和方法在上部材料层与下部材料层之间形成搭接缝焊的能力。

可以设想的是，本文所公开的系统和方法可以实现与使用常规焊接方法所实现相比更牢固的搭接缝焊缝。可以进一步设想的是，本文所公开的系统和方法可以用于将可以使用常规缝焊方法焊接在一起的多种材料(包括例如硬金属和高导电性材料)焊接在一起。可以进一步设想的是，本文所公开的系统和方法可以用于多种工业焊接应用，包括例如但不限于：(1)缝焊应用，包括汽车工业、飞机工业、航空航天工业、核工业、海洋工业、化学工业和加工行业中的缝焊应用；(2)包覆应用，包括耐磨堆焊(出于减少磨损、磨耗、冲击、腐蚀、粘扣或气蚀的目的)、焊接包覆(出于提供耐腐蚀表面的目的)和隔离层堆焊(出于向接缝面或将要焊接的表面添加一个或多个焊接金属层的目的)中的包覆应用，例如但不限于锤磨机、挖掘工具、挤出螺钉、切割剪刀、土方工程设备的零件、球磨机和破碎机零件、控制阀、拖拉机和铲车的底盘零件、和高性能轴承、阀、和泵处理腐蚀性液体、或泥浆、涡轮叶片、剪切刀片、盘式制动器、机镶工具、冲压工具模具、碳钢及低合金钢的内表面、压力容器、纸张消化池、尿素反应器、管板、用于当前和下一代核电站应用的奥氏体不锈钢和镍基合金核反应器密闭容器、加氢裂化器、用于核工业、海洋工业、化学工业和加工工业的不同金属焊接；以及(3)逐层加性制造应用，包括例如但不限于自定义植入物和医疗装置、能源系统组件、防御组件、航空产品、航空航天产品、汽车产品、工具产品、消费产品等。可以设想的是，所公开工艺的多材料/功能梯度方面可以提高多种产品包括生物医学植入物和耐腐蚀耐磨损层的形成的效率。可以设想的是，所公开的方法可以用作用于构建近净形零件的加性和选择性减性制造方法，随后可使用集成的3轴CNC铣床来将该近净形零件机械加工成其成品尺寸。还可以设想的是，所公开的方法可以用于广泛范围的技术应用，因为导线、导带和导线网可以很容易地嵌入在金属基质内。例如，可以设想的是，可以在嵌入有光纤和/或传感器的组件的制造期间使用所公开的方法。

摩擦搭接缝焊系统

在示例性方面，并且参照图7-10，可以提供用于使上部材料层14相对于垂直轴200焊接到下部材料层16的搭接缝焊系统。在一个方面，该缝焊系统可以包括棒材10，该棒材具有夹头端11、相对远端12和纵轴13。在该方面，棒材10可以具有在约5mm至约25mm范围内的直径。可以设想的是，在如本文所公开使用棒材10形成缝焊缝之前，该棒材可以具有在约100mm至约200mm范围内的纵向长度和在约50mm至约100mm范围内的暴露纵向长度(从棒材的夹头端11到远端12)。在一个示例性方面，棒材10可以具有约150mm的纵向长度和约2.5cm的直径。在另外的示例性方面，棒材10可以相对于其纵轴13轴向成锥形。虽然在本文一般描绘和描述为是具有圆形截面的基本上圆柱形的棒材，但可以设想的是，棒材10可以具有任一种所选择的截面形状，包括例如但不限于矩形、方形和椭圆形截面形状。在示例性方面，可以设想的是，棒材10可为非消耗性棒材。或者，然而可以设想的是，棒材10可为消耗性棒材。

在另一方面，缝焊系统可以包括用于使棒材10相对于垂直轴选择性地轴向移动的装置。在该方面，可以设想的是，用于使棒材10选择性地轴向移动的装置可以被构造成向该棒材相对于垂直轴施加轴向力。可以进一步设想的是，该轴向力可以在约1,000牛顿(N)至约25,000N的范围内。在示例性方面，该轴向力可以在约5,000N至约9,000N的范围内。用于使棒材10选择性地轴向移动的示例性装置包括例如但不限于轴向主轴、伺服电机和如本领域中公知的其它机动化/轴向平移机构。在另一方面，缝焊系统可以包括用于使棒材10围绕棒材的纵轴13选择性地旋转的装置。在该方面，可以设想的是，用于使棒材10选择性地旋转的装置可以被构造成使棒材以约800转每分钟(RPM)至约2,500RPM范围内的旋转速率旋转。在示例性方面，该旋转速率可以在约800RPM至约1,600RPM的范围内。用于使棒材10选择性地旋转的示例性装置包括例如但不限于旋转主轴、伺服电机和如本领域中公知的其它机动化/旋转平移机构。

在示例性方面，可以设想的是，缝焊系统可以包括常规的焊接机，该焊接机被构造成使棒材如本文所公开选择性地移动和旋转。如本文所公开使用的示例性焊接机包括例如但不限于RM-1模型搅拌摩擦焊接机(ManufacturingTechnology,Inc.)，和如美国专利No.6,554,175和美国专利申请公开No.2003/0209586中所公开的搅拌摩擦焊接机，这两个专利均以其全部内容以引用的方式并入本文。

因此，在示例性方面，并且参照图11-13，缝焊系统可以包括由框架或机架22和延伸穿过其中的基底24组成的焊接机20。基底24可以支撑工作台26，该工作台可沿基底24的长度在大致水平方向上(相对于焊接横轴(x轴)，如本文进一步所述)滑动(手动地或自动地)。工作台28可以支撑各种材料层(示为28、30、31)，这些材料层可以使用本文所公开的方法彼此相邻固定以形成接缝32、33。如本文所公开将材料层28、30、31沿着接缝32、33摩擦搭接缝焊可以使零件28、30、31以整体件的方式固定在一起。机架22可以具有在基底24的横向道轨38、40的外部但邻近这些横向道轨间隔开的一对柱状物或支柱34、36。柱状物34、36可以分别通过下部、中间和上部横向构件或横向导轨42、44、46接合在一起。铁砧48可以刚性地连接到下部横向构件42的顶部。道轨38、40中的每一个均可通过立柱39接合到下部横向构件42以使框架22和基底24连接成整体结构。主轴托架或滑动装置50可以通过一对线性导轨或轴承52安装到中间横向构件44。主轴托架50还可以操作性地连接到驱动器54，该驱动器使得线性托架50在基本上垂直于基底24的纵向道轨38、40的大致水平方向上运动。驱动器54可以具有各种已知类型，但图示驱动器54为可从俄亥俄州代顿市的JoyceDayton商购的5吨“ComDRIVEACTUATOR”。驱动器54可以使用千斤顶或螺钉56，该千斤顶或螺钉的可旋转地安装在轴承上的一端被附接到柱状物36。螺母(未示出)可以以已知的方式附接到主轴托架50的后侧。驱动器54可以进一步包括电力源58例如三马力AC感应电机，该电力源通过可从俄亥俄州辛辛那提市的CincinnatiElectric商购的机械联接件(例如，涡轮传动装置60)联接到螺钉56的相对端。驱动器54可能够提供约10,000磅的水平驱动力。

主轴或工具头62可以通过线性导轨或轴承64可滑动地安装到主轴托架50。参照图12，可以使用一对线性导轨64；并且可以将导轨64侧向定位在主轴托架50的相对端上。主轴62可以操作性地连接到第二驱动器65用于使主轴62在基本上垂直于主轴托架导轨52和基底24的纵向道轨38、40的大致垂直线性路径上移动。第二驱动器65可以具有各种已知类型，但所示驱动器65具有螺钉66，该螺钉在其上端可旋转地安装到主轴托架50。主轴62可以通过螺母(未示出)垂直地移动，该螺母承载刚性连接到主轴62的支架70。参照图12，电力源72(例如，一马力电动机)可以通过齿轮箱74机械联接到螺钉66的上端。因此，电机72和螺钉66的旋转可以是操作性的，以使承载支架70和主轴62的螺母68在大致垂直方向上移动。

主轴62可以刚性地连接到一对棒材或支架76的下端，这些棒材或支架的上端连接到相应驱动器78的可移动部分77。驱动器78可以充当焊接力生成器并且由一对功率致动器(例如，可从印第安纳州卡梅尔的Firestone商购的空气冲程致动器型号1T15S-6)组成。可以设想的是，空气冲程致动器78可以具有以下所需特征，即在它们的总位移范围内具有有限的冲程或位移，其中它们通过所述有限的位移施加相对恒定的力。因此，通过所述有限的位移，可以设想的是，正由致动器施加的力是已知的、相对恒定的幅值并且独立于机器结构的任何偏转进行施加。致动器78可以具有刚性地连接到板80的可移动部分77，该板通过线性导轨82可滑动地安装到上部横向构件46。线性导轨82可以基本上沿上部横向构件46的下表面83的纵向中心线定位。线性导轨52、64、82可为已知装置诸如可从纽约华盛顿港市的Tompson商购的Tompson线性导轨。

参照图12-13，可以设想的是，棒材10可以相对于上部材料层的顶表面垂直地或以微小角度(例如，在0度与4度之间)取向。棒材10的角取向可以通过使主轴62围绕平行于道轨38、40的旋转轴顺时针旋转小的角度来实现。参照图13，主轴62可以通过枢轴销87枢转地安装到板85；并且可以将板85安装到主轴托架50上的线性导轨64。因此，主轴62和棒材10可以成角度地移位例如多达五度，并且通过螺栓或其它装置夹持到板85。

棒材10可由安装在主轴62上的可从CincinnatiElectric商购的主轴电机84(例如，25马力电机)供电。参照图13，主轴电机84可以通过带驱动器88可旋转地联接到主轴轴杆86的上端。主轴轴杆86可以通过轴承90可旋转地安装在主轴62中。可以将工具支持物92(用于固持棒材10)安装到主轴轴杆86的下端，并且可以将棒材10安装在工具支持物92内。工具支持物92可由具有低导热性的材料例如不锈钢制成，以使得可以将来自焊接工艺的和棒材10中的仅最低热量传导到主轴62的其它组件例如轴承90。主轴盖96还可以连接到主轴62的下端并且可以覆盖主轴轴杆86的下端的一部分。可以使辊97a、97b可旋转地安装在辊支撑物或转向架100中在相应的轴或销98a、98b上。主轴盖96的下端可以具有大体U形夹。辊转向架100可以通过一对肩部螺栓枢转地安装在主轴盖96的U形夹内，这对肩部螺栓延伸穿过U形夹的相对臂部中的穿通孔并且被拧进主轴盖96的相对边内。可以使辊97a、97b之一定位在工具10和接缝32的每一边上。参照图13，辊97a、97b可以接触相应材料层28、30的上表面。辊97可以围绕旋转轴102转动，该旋转轴基本上垂直于棒材10的旋转轴104并且基本上平行于基底24的纵向道轨38、40(图11)。

在示例性方面，棒材10可以被构造用于不仅相对于垂直轴200而且相对于基本上垂直于焊接横轴(x轴)220和垂直轴(z轴)的贯轴(y轴)210移动。在其它示例性方面，可以设想的是，工作台26(以及因此任何所支撑的材料层)可以被构造用于不仅相对于焊接横轴(x轴)220而且相对于与该焊接横轴定位在同一平面上并且基本上垂直于该焊接横轴和垂直轴(z轴)200的贯轴(y轴)210移动。

在附加的示例性方面，可以设想的是，缝焊系统可以包括用于影响如本文所述棒材10的移动和旋转的加工装置。在这些方面，可以设想的是，该加工装置可以包括具有处理器的计算机。可以进一步设想的是，该处理器可以被构造成使得缝焊系统根据以下预设参数以所需方式影响移动和/或旋转，这些预设参数包括例如但不限于旋转速率、突进深度、馈送率、所施加的轴向力、材料层和/棒材相对于焊接轴、机器轴和贯轴的移动等。可以进一步设想的是，该加工装置可以包括控制面板，该控制面板与处理器操作性通信进行定位以使得用户可以选择性地调整缝焊系统的操作参数。在示例性方面，该控制面板可以包括键盘和显示器，如图8所示。在另外的示例性方面，可以设想的是，计算机可以具有与处理器操作性通信的存储器。在这些方面，可以设想的是，该存储器可以被配置成存储预定系统参数，例如但不限于旋转速率、突进深度、馈送率、所施加的轴向力、材料层和/棒材相对于焊接轴、机器轴和贯轴的移动等。

摩擦搭接缝焊方法

在操作中，并且参照图7-10，在将上部材料层相对于垂直轴搭接缝焊到下部材料层的方法中可以使用缝焊系统。在一个方面，缝焊方法可以包括使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转，以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面。在另一方面，缝焊方法可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑。

在上部材料层的一部分增塑的情况下，缝焊方法可以包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形。可以设想的是，上部材料层与下部材料层之间的界面上的这种变形可以导致在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合。

可以设想的是，棒材远端和上部材料层处的温度的突然升高可以导致上部材料层的顶表面发生塑性变形。可以进一步设想的是，温度的这种突然升高可能是由于因塑性变形期间的粘性散热引起的绝热加热。在操作中，棒材可以以给定的旋转速率旋转，并且施加到棒材的轴向负载可以赋予上部薄片的顶表面上的增塑金属以旋转力。可以设想的是，所赋予的旋转力可以由于上部材料层的底表面与下部材料层的顶表面之间的界面上的剪切力引起弹塑性变形。更具体地，切向(离心或旋转)力可以导致材料层的中心部分与材料层的外围部分之间形成旋流线。可以进一步设想的是，该界面上的高度局部化的粘滞和滑动可以使得表面氧化物和表面膜分解。这反过来可以有利于界面上的接触表面之间的金属间接触。金属间接触区域由于持续的粘滞和滑动机制而可以增长，从而形成连续的冶金结合界面。另外，可以设想的是，上部材料层与下部材料层之间的界面上的局部温度由于传导(由旋转的增塑金属提供)、截面粘滞-滑动机制和塑性变形的组合效应可能升高。可以进一步设想的是，界面上的温度的这种升高可有助于在上部材料层与下部材料层之间的界面上发生固态扩散。因此，上部材料层与下部材料层之间的界面上的冶金结合可能由以下原因引起：一个或多个操作机制，包括界面上的局部粘滞和滑动，该粘滞和滑动趋向于使表面氧化物和表面膜分解；以及当上部材料层和下部材料层在通过棒材施加的高轴向力下固持在一起时，上部材料层与下部材料层之间的扩散。图67A和67B显示了使用本文所述的摩擦缝焊方法所实现的示例性缝焊缝的横截面图像。如图所示，图67A和67B描绘了上部材料层与下部材料层之间的界面附近的缝焊缝的微结构的图像。如图所描绘，在界面上的材料层之间存在完全冶金结合。该图像显示了嵌入在基质中的离散的氧化物颗粒，表明粘滞-滑动机制引起表面氧化物的分解。从一个材料层延伸到另一个材料层的晶粒表明两个材料层之间的扩散。

在一个示例性方面，可以设想的是，可以使至少一个中间材料层定位在上部材料层与下部材料层之间。在该方面，可以设想的是，在上部材料层的一部分增塑的情况下，缝焊方法可以进一步包括向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和中间材料层的顶表面的一部分变形。轴向力的施加可以继续直到至少一个中间材料层的底表面和下部材料层的顶表面变形。可以进一步设想的是，各种材料层之间的界面上的这种变形可以导致在上部材料层与中间材料层之间以及在中间材料层与下部材料层之间形成冶金结合。当使用了超过一个中间材料层时，可以在各种中间材料层之间形成冶金结合。

在另一方面，缝焊方法可以包括使上部材料层和下部材料层(以及任何中间材料层)相对于焊接横轴轴向地前进所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成具有所需长度的冶金结合。在该方面，可以设想的是，所需长度任选地可为约125mm。在另一方面，可以设想的是，可以使上部材料层和下部材料层(以及任何中间材料层)相对于焊接横轴以所选择的横向速率轴向地前进。可以进一步设想的是，该横向速率可以任选地在约10mm/min至约20mm/min的范围内。

在另一方面，缝焊方法可以包括使棒材相对于垂直轴轴向缩回，以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

在示例性方面，上部材料层和下部材料层可以具有相应的厚度。在这些方面，可以设想的是，上部材料层的厚度和下部材料层的厚度均可在约0.5mm至约2.00mm的范围内。在一个方面，上部材料层的厚度可以基本上等于下部材料层的厚度。或者，在另一方面，上部材料层的厚度可以大于下部材料层的厚度。在另一方面，可以设想的是，上部材料层的厚度可以小于下部材料层的厚度。

在示例性方面，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材的纵轴可以基本上垂直于上部材料层的顶表面(并且与垂直轴基本上轴向对齐)。或者，在其它示例性方面，可以设想的是，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材的纵轴可以相对于垂直轴成角度取向。在这些方面，可以设想的是，棒材的纵轴可以相对于垂直轴以在约1度至约4度范围内的角度定位。

在一个示例性方面，上部材料层和下部材料层均可以包含第一材料。在该方面，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第一材料。或者，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含不同于第一材料的第二材料。

在另一示例性方面，上部材料层可以包含第一材料，并且下部材料层可以包含不同于第一材料的第二材料。在该方面，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第一材料。或者，可以设想的是，棒材的至少远端可以包含第二材料。可以进一步设想的是，棒材的至少远端可以包含不同于第一材料和第二材料的第三材料。

在附加的示例性方面，上部材料层可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，上部材料层可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

类似地，在其它示例性方面，下部材料层可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，下部材料层可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

在使用了中间材料层的情况下，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含以上相对于上部材料层和下部材料层所列举的示例性材料之一。因此，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含与上部材料层和下部材料层中的一个或多个相同的材料。类似地，可以设想的是，每个中间材料层均可以包含与上部材料层和下部材料层的材料具有不同的化学组成和/或性能的材料。

在其它示例性方面，棒材可以包含选自下组的材料：碳锰(C-Mn)钢(包含通过常规冷轧、热轧、涂布和/或电镀工艺形成的碳锰钢)；高强度低合金钢；热处理低合金钢；热机械控制处理钢；铬钼钢；调质钢；双相钢；超高强度钢；马氏体时效钢；不锈钢(包括本领域已知的奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢或超级双相不锈钢)；镍；镍基合金；铜；铜合金；铝；铝合金；镁；镁合金；钛；钛合金；以及以上材料中的两种或更多种的金属基复合材料。然而，可以设想的是，棒材可以包含其它金属材料，包括例如但不限于难熔金属、稀土金属、磁性材料、金属玻璃、形状记忆合金、金属间材料、铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金、工具材料、锆、镓以及铟。

任选地，在一些方面，可以设想的是，棒材可以包含与将要焊接的材料层的材料不同的材料。例如，当这些材料层包含铝、铜或钛时，可以设想的是，棒材可以包含与材料层的材料不同的材料。在示例性方面，可以设想的是，不锈钢棒材(AISI304)可以用于将铝合金的上部材料层和下部材料层焊接在一起。在其它示例性方面，当缝焊较硬材料时，或当将较软的中间材料层定位在上部较硬材料层与下部较硬材料层之间时，可以设想的是，棒材可以包含CP钼。

在各种示例性方面，当棒材为非消耗性棒材时，可以设想的是，将要焊接在一起的材料层的熔点可以显著低于棒材的熔点以使得棒材并不使材料增塑或沉积在材料层上。例如，包含耐熔金属诸如铌、钼、钽、钨和铼的棒材(它们具有高于约2,200℃的熔点)可以用于缝焊包含常规工程金属和合金诸如钢、不锈钢、镍基合金和钛基合金的材料层。当将要焊接在一起的材料层包含较低熔点的材料诸如铝、镁、铜、银、金、锌、铟和锡时，可以设想的是，棒材可以包含熔点在约1,300℃与约1,400℃之间的钢、不锈钢、镍基合金等。当将要焊接在一起的材料层包含甚至更低熔点的材料诸如锡(熔点为232℃)、铅(熔点为327℃)、锌(熔点为420℃)等，可以设想的是，棒材可以包含铝合金或熔点为约600℃的类似材料。

在示例性方面，在将上部材料层焊接到下部材料层之前，可以对上部材料层和下部材料层的顶表面的至少一部分进行研磨以产生具有所选择表面粗糙度(Ra)的表面光洁度。在这些方面，可以设想的是，表面粗糙度(Ra)可以在约1μm至约2μm的范围内。可以进一步设想的是，可以对棒材的至少一部分例如棒材的远端的至少一部分进行研磨以产生具有所选择表面粗糙度(Ra)的表面光洁度。在示例性方面，可以设想的是，棒材的所研磨部分的表面粗糙度(Ra)可以在约1μm至约2μm的范围内。

在使用中，一旦棒材的远端接触上部材料层的上部部分，上部材料层和下部材料层就可以开始相对于焊接横轴移动，并且在棒材的远端与上部材料的顶表面(和上部部分)之间建立所需力。

多层缝焊

如本文所公开，可以如本文所公开在上部材料层与下部材料层之间(以及与任何中间材料层之间)形成搭接缝焊缝，由此形成焊接结构。在示例性方面，本文所公开的搭接缝焊方法可以重复进行以将至少一个加性层焊接到焊接结构(包括上部材料层和下部材料层以及先前焊接在一起的任何中间层)。因此，在这些方面，该至少一个加性层可以在压力下紧靠焊接结构的上部材料层夹紧。随后，棒材、焊接结构和至少一个加性层可以如本文所公开选择性地移动以影响焊接结构与至少一个加性层之间的缝焊缝的形成。在焊接结构与至少一个加性层之间形成搭接缝焊缝后，所产生的结构可以有效地为多层缝焊结构。可以设想的是，该顺序可以在无限期的基础上持续直到已向预存焊接结构添加了足够的加性层。可以设想的是，加性层可以任选地包含与现存焊接结构的一个或多个材料层不同的材料。或者，可以设想的是，加性层可以包含与现存焊接结构的至少一个材料层的材料基本上相同的材料。

在示例性方面，当本文所公开的方法用于将至少一个加性层搭接缝焊到现有焊接结构时，可以设想的是，可以将这些加性层选择性地焊接到现存结构以基于各种材料层的性能形成功能梯度。在这些方面，可以进一步设想的是，可以在净形状制造工艺中采用所公开的方法。

多道缝焊

在各个方面，所公开的方法可以选择性地重复进行以便在材料层之间形成多道缝焊缝。在一个示例性方面并且参照图10，可以通过初始执行如本文所公开方法的步骤来执行多道缝焊。在该方面，可以使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转，以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面。在如本文所公开在上部材料层与下部材料层之间形成第一缝焊缝并且棒材从上部材料层轴向缩回后，第一材料层和第二材料层可以相对于焊接横轴手动地或通过焊接系统的选择性启动返回到它们的初始位置。然后，随后可使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转，以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置，其中该第二位置与第一位置相对于贯轴间隔开。在棒材接触第二位置后，焊接方法可以如本文所公开继续进行以形成第二缝焊缝。在示例性方面，可以设想的是，第一缝焊缝和第二缝焊缝可以相对于贯轴重叠(参看图10)。在这些方面，第一缝焊缝与第二缝焊缝之间的重叠量可以对应于第一缝焊缝的宽度的约10％至约20％。可以进一步设想的是，方法步骤的顺序可以在上部材料层上在附加的位置重复进行(参看例如图10中的第三缝)以扩大材料层之间的焊接的大小并且由此进一步加强各种材料层之间的结合。

在使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置这一步骤之前，该方法可以进一步包括使上部材料层和下部材料层(以及任何中间材料层)相对于贯轴轴向地移位以使得第二位置与垂直轴基本上对齐。或者，在使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置这一步骤之前，该方法可以进一步包括使棒材相对于贯轴轴向地移位以使得垂直轴与第二位置基本上对齐。

示例性应用

在操作中，可以设想的是，所公开的方法可以用于多种应用。例如，可以设想的是，所公开的方法可以用于使两个或更多个材料层(包括类似的以及不同的材料层)接合在一起。在另一个示例性应用中，可以设想的是，可以在包覆工艺中使用所公开的方法，由此基体层的表面性能通过焊接到基体层的上部材料层的表面性能得到增强。在另一个示例性应用中，可以设想的是，在加性制造工艺中可以使用所公开的方法，以便根据需要将附加的材料层添加到现存基体层。可以进一步设想的是，所公开的缝焊方法可以用作用于构建近净形零件的加性和选择性减性制造方法，随后可使用铣床例如并且不限于集成的3轴CNC铣床来将该近净形零件机械加工成其成品尺寸。在另一个示例性应用中，可以设想的是，可以在下一代核电站(NGNP)应用中使用上部材料层(或加性层)到下部材料层(或现存焊接结构)的多道缝包覆。在所述应用中，可以设想的是，可以将Ni-200层搭接缝焊到基体，该基体包含例如但不限于HX合金基体或AISI304基体。

可以设想的是，通过使用所公开的方法可以实现多个功能和性能优点。例如，可以设想的是，与激光缝焊方法不同，可以使用本文所公开的固态焊接方法来很方便地焊接涂层金属。可以进一步设想的是，所公开的方法是装配敏感的(与激光焊接方法一样)。与基于熔化的方法不同，可以设想的是，所公开的方法可以焊接不同的金属，而不会使得这些金属产生有害的冶金变化。与电阻缝焊方法不同，可以设想的是，所公开的方法并不要求电极冷却，可以很容易地焊接具有变化的厚度和/或高的碳含量的焊接金属，并且不会引起破裂、孔隙度和/或有害的冶金变化。可以进一步设想的是，所公开的方法可以用于很容易地焊接在窄的塑性范围内的金属和合金例如但不限于钛。

与基于熔化的包覆方法不同，可以设想的是，所公开的包覆方法可以使多种金属包覆在钢基体、不锈钢基体、镍基合金基体、基于钛合金的基体等上，而不会引起破裂、孔隙度和/或不希望的易碎金属间化合物。

与基于熔化的加性制造方法不同，可以设想的是，所公开的加性制造方法可以用于构造基本上无以下各项的三维零件：(a)未熔融区，这会导致粉末颗粒之间缺乏结合；(b)孔隙度；(c)固化，这会引起易感性；(d)铸态显微组织和显微偏析，这会导致组成上的不均匀性；(e)显著的拉伸残余应力聚集和大组件较长的生产时间；以及(f)刚性问题。与固态加性制造方法不同，可以设想的是，所公开的方法可以用于更迅速地构造无层间结合缺陷和几何约束的较大的三维零件。通过中断对重叠金属层中的通道的多分层和选择性切割(使用CNC机械加工)，可以构造内部特征(例如，对于特定应用来说，诸如可以耐高温的嵌入式传感器)。

所公开方法和系统的示例性应用可以包括：气密和/或液密储罐、储槽和接缝的形成；汽车应用(包括燃料储槽、催化转换器、消声器、汽车内饰、屋顶接缝等的形成)；炉热交换器的形成；水槽的形成；热交换器(飞机热交换器、冰箱热交换器、工业热交换器)；太阳能面板的形成；温度控制器的形成；用于恒温器的双金属条的形成(如汽车、炉子、电视机、工业控制器等中所使用)；电接触件；包覆炊具；地下电缆包装材料；电磁屏蔽、耐腐蚀和/或耐磨损涂层；定制骨科植入物；大功率电接触件；嵌入式汽车传感器(发动机和车辆)；嵌入式医疗传感器(用于侵入性心脏监控的温度、压力和振动传感器)；原始设备制造(制冷、能源、过程控制、自动化、高度和深度测量)；家用器具(运动手表、打印机、微波炉、冰箱、烘干机)；涡轮机械(气体压力、液体压力、温度、大气压力)；以及航空航天工业(用于控制表面和二次加载路径上的负载监控的力传感器；用于制动系统监控的扭矩换能器)。

在另一个示例性应用中，可以设想的是，本文所公开的缝焊方法可以用于利用经过研磨的微通道(腔体)形成缝焊。在示例性方面，可以设想的是，本文所公开的缝焊方法可以用于在上部材料层与下部材料层内和/或之间形成微通道。在这些方面，可以设想的是，微通道可以被构造成接纳流体，由此允许焊接材料层充当微反应器。因此，在示例性方面，可以设想的是，本文所公开的缝焊方法可以被构造成形成用于多种应用的高温微反应器。

多种材料层组合的试验性焊接在以下代表性例子中进行描述。

试验性实施例一

在该试验性实施例中，使上部金属薄片覆盖在下部金属薄片上，其中上部薄片和下部薄片在压力下被夹紧(图3)。在一些情况下，利用中间金属薄片在下部金属薄片与上部金属薄片之间进行焊接。所使用薄片的厚度(0.4mm-3.25mm)一般类似，但存在使用不同厚度的一些情况。使用了以下金属薄片：AISI304；C-Mn；Ni基合金(IN600，IN625，HX)；AA6061和AA2014；以及CPCu、黄铜、CPMg、Ti6A14V。相似金属之间的金属焊接和不同金属之间的金属焊接均得以实现。使用了表面粗糙度(Ra)在约1-2μm范围内的金属棒材(既有消耗性的又有非消耗性的)。消耗性AISI304棒材；C-Mn钢棒材；IN718和AISI304棒材分别用于对AISI304薄片；C-Mn钢薄片；以及In600、IN625和HX薄片进行点焊。非消耗性商业纯Mo用于对AISI304、C-Mn钢以及In600、IN625和HX薄片进行点焊。非消耗性AISI304棒材用于对AA6061、AA2014、CPCu、黄铜、CPMg、Ti6A14V薄片和它们的组合进行点焊。所用的这些薄片和棒材的化学组成在表1中示出。

表1：试验性实施例中所使用的薄片和棒材的化学组成

棒材的直径在12.5mm至25.4mm的范围内。棒材的纵向长度(从棒材的夹头端到远端)在约50mm至约100mm的范围内。使用RM-1模型搅拌摩擦焊接机(ManufacturingTechnology,Inc.)来根据本文所公开的方法实现点焊。使棒材朝向上部金属薄片的顶表面旋转(以1,000转每分钟(RPM)至3,000RPM)和前进。当棒材的远端接触上部金属薄片的顶部分时，在旋转棒材的远端与上部金属薄片的顶部分之间施加轴向力(1,000牛顿(N)至25,000N)。也使附加的参数，突进深度控制在0.1mm与1.5mm之间。图5示出摩擦点焊的顺序步骤，并且图6是描绘了摩擦点焊的步骤的流程图。

表2-8示出所研究的不同材料的焊接参数。注意轴向力和突进深度的施加值与实际值之间的差。轴向力的施加和棒材旋转导致在上部薄片和下部薄片之间产生摩擦热，并且上部金属薄片的一部分被增塑。在预定停留时间(10s)后，已经发现，上部金属薄片的底表面的一部分与下部金属薄片的顶表面的一部分是冶金结合的(图4B示出示例性摩擦点焊的横截面图)。无论附加的金属薄片何时被定位在上部金属薄片与下部金属薄片之间，都已经发现，附加的金属薄片冶金结合到上部薄片和下部薄片。一旦实现了焊接，棒材即垂直缩回，脱离与上部金属薄片的顶表面的接触。所有这些焊接均进行了弯曲和/或剥离测试以检测结合完整性。这些薄片之间的界面还通过光学金相法进行检测以评估结合。

消耗性棒材：

表2示出多种AISI304焊接的焊接参数。这些焊接使用AISI304和C-Mn钢消耗性棒材以及以下参数形成：10-19mm的棒材直径；12,000-20,000N的轴向力；1,200-1,500RPM的棒材旋转速率；0.1-1.0mm的已实现的突进深度；以及10秒的停留时间。图14示出用于0.4mm厚薄片的点焊。图15示出用于0.8mm厚薄片的点焊。图16示出用于0.8mm薄片(3)到2.25mm厚薄片的点焊。图17示出用于3.00mm厚薄片的点焊。

表2：使用了消耗性棒材的奥氏体不锈钢AISI304薄片的点焊参数

表3示出多种C-Mn焊接的焊接参数。这些焊接使用C-Mn钢和AISI304消耗性棒材以及以下参数形成：12.5-25.4mm的棒材直径；10,000-25,000N的轴向力；1,300-2,800RPM的棒材旋转速率；0.3-1.5mm的已实现的突进深度；以及10秒的停留时间。图18示出用于0.4mm厚薄片的点焊。图19示出用于2.0mm厚薄片的点焊。图20示出用于3.25mm厚薄片的点焊。

表3：使用了消耗性棒材的C-Mn钢的点焊工艺参数

表4示出多种Ni基合金的焊接参数。这些焊接使用各种消耗性棒材和以下参数形成：12.5-25.4mm的Inconel718和AISI304消耗性棒材；8,000-25,000N的轴向力；1,500RPM的棒材旋转速率；0.1-0.5mm的已实现突进深度；以及10秒的停留时间。图21示出用于0.4mm厚In600薄片的点焊。图22示出用于0.8mm厚HX薄片的点焊。图23示出用于2.0mm厚IN600薄片的点焊。图24示出用于3.15mm厚IN625薄片的点焊。

表4：使用了消耗性棒材的Ni基合金的点焊工艺参数

非消耗性棒材：

表5示出使用了非消耗性棒材(直径为25.4mm的CPMo)的AISI304、C-Mn钢和Inconel合金的焊接参数。所使用的参数包括3,000-8,000N的轴向力；1,600RPM的棒材旋转速率；以及10秒的停留时间。这与用于消耗性棒材相对物的较高的轴向力水平形成对照。RPM水平和停留时间与利用消耗性棒材实现的那些几乎相同。图25示出用于0.8mm厚AISI304薄片中的3块薄片的点焊。图26示出焊接到C-Mn钢(3mm)的两块AISI304(0.8mm)薄片的点焊。图27示出用于2块AISI304薄片的点焊，其中每块薄片均具有1.6mm的厚度。图28示出用于2块AISI304薄片的点焊，其中每块薄片均具有2.0mm的厚度。图29示出用于2块C-Mn钢薄片的点焊，其中每块薄片均具有1.5mm的厚度。图30示出用于2块C-Mn钢薄片的点焊，其中每块薄片均具有2.0mm的厚度。图31示出用于2块IN600薄片的点焊，其中每块薄片均具有1.50mm的厚度。图32示出用于2块IN625薄片的点焊，其中每块薄片均具有1.50mm的厚度。

表5：使用了非消耗性棒材的AISI304、C-Mn钢和Inconel合金的点焊参数

表6示出铝合金(包括使用了非消耗性棒材(直径为12.5mm的AISI304)的AA6061和AA2014合金)的焊接参数。焊接参数包括2,000-3000N的轴向力；1,600RPM的棒材旋转速率；以及5秒的停留时间。图33示出用于1.0mm厚AA6061薄片的点焊。

表6：使用了非消耗性棒材的铝合金的点焊工艺参数

表7示出非铁金属薄片，包括使用了非消耗性棒材(直径为12.5mm的AISI304)的CPCu、黄铜和CPMg的焊接参数。焊接参数包括1,000-2,500N的轴向力；1,600RPM的棒材旋转速率；以及5秒的停留时间。图34示出用于0.5mm厚CPCu薄片的点焊。图35示出用于1.0mm厚黄铜薄片的点焊。图36示出用于1.0mm厚CPMg薄片的点焊。

表7：用于使用了非消耗性棒材的CP铜、黄铜和CP镁的点焊工艺参数

表8示出使用了非消耗性棒材(直径为12.5mm的AISI304)的不同金属薄片之间的焊接，包括Ti6A14V到AISI304的焊接和CPCu到AISI304的焊接的焊接参数。焊接参数包括1,500-5,000N的轴向力；1,600RPM的棒材旋转速率；以及5秒的停留时间。图37示出焊接到AISI304(3.0mm)薄片的两块0.8mm厚Ti6A14V薄片的点焊。图38示出焊接到AISI304(3.0mm)薄片的两块0.5mm厚CPCu薄片的点焊。

表8：使用了非消耗性棒材的焊接到AISI304薄片的Ti6A14V和CP铜的点焊工艺参数

弯曲测试和剥离测试结果在图14-39中示出。在AISI304、C-Mn钢和Ni基合金以及CP铜和黄铜的情况下，点焊在弯曲测试和剥离测试后保持完整，这表明焊接的完整性。在AA6061和AA2014的情况下(图39)，在基底金属/热影响区(HAZ)区域中观察到失效。可以设想的是，这种失效可能是由于与未焊接基底材料相比硬度的降低而引起的。在CPMg的情况下，焊接停止，这表明缺乏结合(图40A-40B)。

试验性实施例二

在一系列试验中，具有类似组成的上部材料层和下部材料层通过单缝焊接使用本文所公开的方法焊接在一起。这些材料层以薄片的形式来提供(190mm×200mm×1.5至2mm)。每个缝焊缝的长度均为约125mm长和25mm宽。

图42描绘了两个AA6061层之间的单缝焊接。每个层均具有1.5mm的厚度。

图43描绘了两个C-Mn钢层之间的单缝焊接。图43a描绘了顶视图，并且图43b描绘了侧视图。每个层均具有1.5mm的厚度。

图44描绘了两个AISI304不锈钢层之间的单缝焊接。图44A描绘了顶视图，并且图44B描绘了底视图。每个层均具有2mm的厚度。

图45描绘了两个InconelHX合金层之间的单缝焊接。每个层均具有2mm的厚度。

表9概述了用于实现图42-45中所描绘的焊接的工艺参数。

表9：缝焊工艺参数

试验性实施例三

在一系列试验中，具有类似组成的上部材料层和下部材料层通过多道缝焊使用本文所公开的方法焊接在一起。两个或三个材料层使用各种材料组合和厚度焊接在一起。这些材料层通过多道缝焊使用本文所公开的方法焊接在一起。这些材料层以薄片的形式提供(190mm×200mm×1.5至2mm)。每个缝焊缝的长度均为约125mm，并且每个缝焊缝的宽度均为约25mm。

图46A-46C描绘了两个AA6061层的多道缝焊。图46A描绘了顶视图，图46B描绘了侧视图，并且图46C描绘了上部材料层与下部材料层之间的冶金结合的横截面图。每个层均具有1.5mm的厚度。

图47A-47C描绘了三个AA6061层的多道缝焊。图47A描绘了顶视图，图47B描绘了侧视图，并且图47C描绘了上部材料层、下部材料层和中间材料层之间的冶金结合的横截面图。每个层均具有1.5mm的厚度。

图48A-48B描绘了三个C-Mn钢层的多道缝焊。图48A描绘了顶视图，并且图48B描绘了侧视图。每个层均具有1.50mm的厚度。

图49A-49D描绘了两个和三个AISI304层的多道缝焊。图49A描绘了两个层的顶视图，图49B描绘了三个层的顶视图，图49C描绘了三个层的侧视图，并且图49D描绘了上部材料层与下部材料层之间的冶金结合的横截面图。每个层均具有2mm的厚度。

图50A-50B描绘了两个InconelHX层的多道缝焊。图50A描绘了顶视图，并且图50B描绘了侧视图。每个层均具有2mm的厚度。

表9(以上)概述了用于实现图46A-50B中所描绘的焊接的工艺参数。

在这些试验性多道缝焊中，各种材料层之间的界面并未示出任何未粘合区域或任何类型的物理缺陷诸如孔隙度、破裂等。

试验性实施例四

在另外的一系列试验中，具有不同组成的上部材料层和下部材料层通过单道缝焊使用本文所公开的方法焊接在一起。在三个材料层之间形成焊接。各种材料组合和厚度通过单缝焊接使用本文所公开的方法焊接在一起。这些材料层以薄片的形式提供(125mm×25mm×0.5至1.5mm)。每个缝焊缝的长度均为约50mm，并且每个缝焊缝的宽度均为约25mm。

图51A-51B描绘了两个C-Mn钢层之间的CPCu层的单缝焊接。图51A描绘了三个层的顶视图，并且图51B描绘了CPCu层与C-Mn钢层之间的冶金结合的横截面图。CPCu层具有0.5mm的厚度，并且C-Mn钢层具有1.5mm的厚度。

图52A-52C描绘了两个AISI304不锈钢层之间的CPCu层的多道缝焊。图52A描绘了三个层的顶视图，图52B描绘了侧视图，并且图52C描绘了CPCu层与AISI304层之间的冶金结合的横截面图。CPCu层具有0.5mm的厚度，并且AISI304不锈钢层具有1.5mm的厚度。

图53A-53B描绘了InconelHX合金层和AISI304不锈钢层的单道缝焊。图53A描绘了顶视图，并且图53B描绘了焊接的侧视图。InconelHX合金层具有2.0mm的厚度，并且AISI304不锈钢层具有1.5mm的厚度。

表10概述了用于实现图51-53B中所描绘的焊接的工艺参数。

表10：缝焊工艺参数

在不同材料层之间的这些试验性单道缝焊中，各种材料层之间的界面并未示出任何未粘合区域或任何类型的物理缺陷诸如孔隙度、破裂等。

试验性实施例五

在另外的一系列试验中，具有不同组成的上部材料层和下部材料层通过单道缝焊和多道缝焊使用本文所公开的方法焊接在一起。上部材料层和下部材料层包含各种材料组合，并且使用了多个材料厚度。这些材料层以薄片的形式提供(150mm×50mm×0.8至2mm)。每个缝焊缝的长度均为约50mm，并且每个缝焊缝的宽度均为约25mm。

图54A-54D描绘了C-Mn钢基体上的AISI304层的单缝包覆。图54A描绘了两个层的顶视图，图54B描绘了后视图，图54C描绘了侧视图，并且图54D描绘了横截面图，该横截面图描绘了上部材料层与下部材料层之间的冶金结合。AISI304层具有1.5mm的厚度，并且C-Mn钢基体层具有2mm的厚度。

图55A-55C描绘了AISI304基体上的Ti6A14V层的缝包覆。图55A描绘了两个层的顶视图，图55B描绘了后视图，并且图55C描绘了横截面图，该横截面图描绘了上部材料层与下部材料层之间的冶金结合。AISI304基体层具有1.5mm的厚度，并且Ti6A14V层具有0.8mm的厚度。

图56A-56B描绘了InconelHX合金基体上的Ni-200层的多道缝包覆。图56A描绘了两个层的顶视图，并且图56B描绘了后视图。Ni-200层具有1.5mm的厚度，并且HX合金层具有2.0mm的厚度。

图57A-57B描绘了AISI304基体上的Ni-200层的多道缝包覆。图57A描绘了两个层的顶视图，并且图57B描绘了侧视图。Ni-200层具有1.5mm的厚度，并且AISI304层具有1.5mm的厚度。

表11概述了用于实现图54A-57B中所描绘的焊接的工艺参数。

表11：缝焊工艺参数

试验性实施例六

具有类似组成的上部材料层和下部材料层的摩擦缝焊结合完整性通过U形弯曲和拉伸剪切测试进行评估。弯曲测试和剪切测试的结果在表12中示出并且在图58A-65C描绘。U形弯曲测试表明在180度U形弯曲测试后的缝焊中，这些焊接未失效，这展示出焊接结合的完整性。(参看图58-61)。在剪切测试中，所有焊接在基底金属或热影响区(HAZ)均失效但在焊接中未失效，这表明缝焊比基底金属和HAZ更牢固。(参看图62-65)。

图58A-58D描绘了在弯曲测试后，AA6061层之间的缝焊的外观。图59描绘了在弯曲测试后，C-Mn钢层之间的缝焊缝的外观。图60描绘了在弯曲测试后，AISI304层之间的缝焊缝的外观。图61描绘了在弯曲测试后，InconelHX层之间的缝焊缝的外观。

图62描绘了在剪切测试后，AA6061层之间的缝焊缝的外观。在剪切测试后，缝焊在热影响区(HAZ)显示出失效。图63描绘了在剪切测试后，C-Mn钢层之间的缝焊缝的外观。在剪切测试后，缝焊在基底金属中显示出失效。图64A-64B描绘了在剪切测试后，AISI304层之间的缝焊缝的外观。在剪切测试后，缝焊在焊接边缘和热影响区(HAZ)显示出失效。图65A-65C描绘了在剪切测试后，InconelHX层之间的缝焊缝的外观。在剪切测试后，缝焊在焊接边缘和热影响区(HAZ)显示出失效。

这些缝焊的焊接完整性可归因于上部薄片与下部薄片之间的冶金结合。图66A和66B显示了使用本文所述的摩擦缝焊方法在类似材料之间实现的示例性缝焊缝的横截面图像。

表12：弯曲测试和剪切测试的结果

试验性实施例七

摩擦缝焊失效负载通过从试验性实施例七中拉出单缝焊接薄片试样由拉伸测试进行评估。拉伸测试轴在缝焊方向上。对具有相同厚度的类似材料的单缝焊接进行拉伸测试。依据ASME代码段IX进行的减少的截面拉伸测试用于评估缝焊的失效负载。为了比较的目的，基底材料(无任何焊接)也使用减少的截面拉伸测试进行拉伸测试。在表13中示出拉伸测试的结果。这些结果表明，AA6061的单缝焊接的拉伸强度与其基底金属相对物相比更小。在C-Mn钢、AISI304和HX合金的情况下，拉伸强度由于缝焊不会减小。

表13：拉伸测试结果

材料	拉伸强度(MPa)
		AA6061-基底金属	256
AA6061-缝焊	158
		C-Mn钢-基底金属	375
C-Mn钢-缝焊	390
		AISI 304-基底金属	521
AISI 304-缝焊	580
		HX-基底金属	762
HX-缝焊	783

试验性实施例八

针对任何腐蚀降解使用ASTMA-262实践A(10％草酸测试)检测包覆到C-Mn钢上的AISI304薄片。包覆到C-Mn钢基体的ASI304薄片的微结构示出“阶梯”结构，这表明通过缝焊产生的摩擦热不会引起任何“开沟”结构并且表明在包覆304薄片中不存在晶间腐蚀。参看图67，该图示出横穿包覆AISI304层的整个横截面的“阶梯”结构显微图。

试验性实施例九

在另外的一系列试验中，具有类似组成的上部材料层和下部材料层通过单缝焊接使用本文所公开的方法焊接在一起。使用2mm厚的Inconel625薄片(150×150mm)制造金属微反应器。在一个薄片上使用CNC铣床来研磨微通道(深度为1mm，长度为25mm，并且宽度为2mm)。使两块薄片夹紧并且使用本文所公开的方法进行摩擦缝焊。使用了以下示例性焊接参数：RPM：1600；轴向力：10,000N；以及馈送率：10mm/min。将焊接件切成65×25mm的大小。

图68A-68C描绘了在IN600的上部材料层与下部材料之间利用经过研磨的微通道进行的单缝焊接，该微通道在其边缘处具有两个钻孔。

图69描绘了Inconel600薄片的摩擦缝焊的射线照片，将钻孔和微通道描绘为黑斑点。

图70描绘了当通过左侧孔注入时，离开右侧孔(通过缝焊的微通道)的水的颜色，表明存在隐匿的微通道。

示例性方面

在一个示例性方面，公开了将上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的方法。使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系定位，并且上部材料层和下部材料层具有相应的顶表面和底表面。该方法包括：使棒材相对于焊接轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面；向旋转棒材施加轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑；在上部材料层的一部分增塑的情况下，向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，由此在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合；以及使棒材相对于焊接轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

在其它示例性方面，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材与上部材料层的顶表面基本上垂直。

在其它示例性方面，上部材料层和下部材料层具有相应的厚度，并且上部材料层的厚度和下部材料层的厚度的范围均为约0.5mm至约3.25mm。

在其它示例性方面，上部材料层和下部材料层均包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含不同于第一材料的第二材料。

在其它示例性方面，上部材料层包含第一材料，并且下部材料层包含不同于第一材料的第二材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第二材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含不同于第一材料和第二材料的第三材料。

在其它示例性方面，使至少一个中间材料层定位在上部材料层与下部材料层之间，至少一个中间材料层中的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，并且向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层这一步骤包括向旋转棒材施加轴向力以使得每个中间材料层的顶表面和底表面的至少一部分变形，由此在上部材料层、至少一个中间材料层和下部材料层之间形成冶金结合。

在其它示例性方面，棒材为非消耗性棒材。

在其它示例性方面，棒材为消耗性棒材。在其它示例性方面，向旋转棒材施加轴向力这一步骤包括向旋转棒材施加轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使棒材远端的一部分增塑，其中，在棒材远端的一部分和上部材料层的一部分增塑的情况下，向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层的至少一部分，由此界定腔体，并且其中在消耗性棒材轴向缩回之前，棒材远端的增塑部分填充该腔体。在其它示例性方面，棒材具有在约5mm至约25mm范围内的直径，其中在棒材的远端增塑之前，棒材具有在约50mm至约100mm范围内的纵向长度，并且其中在由棒材远端的增塑部分填充腔体后，棒材的纵向长度在约45mm至约90mm的范围内。

在其它示例性方面，棒材以在约500RPM至约3,000RPM范围内的旋转速率旋转。

在其它示例性方面，施加到棒材的轴向力在约1,000N至约25,000N的范围内。

在另一个示例性方面，提供用于将上部材料层相对于焊接轴焊接到下部材料层的点焊系统。使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系定位，并且上部材料层和下部材料层具有相应的顶表面和底表面。该点焊系统包括：棒材，该棒材具有远端和与焊接轴基本上轴向对齐的纵轴；用于使棒材相对于焊接轴选择性地轴向移动的装置；以及用于使棒材围绕棒材的纵轴选择性地旋转的装置，其中在棒材围绕棒材纵轴旋转的过程中，用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成向棒材施加轴向力，以便由此在棒材远端与上部材料层之间产生摩擦热，以使得上部材料层的一部分增塑，其中在上部材料层的一部分增塑的情况下，用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成向旋转棒材施加轴向力以使得下部材料层的顶表面的一部分变形，由此在上部材料层与下部材料层之间形成冶金结合，其中用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成使棒材相对于焊接轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

在其它示例性方面，棒材为非消耗性棒材。

在其它示例性方面，棒材为消耗性棒材。

在其它示例性方面，用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成向旋转棒材施加轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使棒材远端的一部分增塑，其中，在棒材远端的一部分和上部材料层的一部分增塑的情况下，用于使棒材轴向地移动的装置被构造成向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层的至少一部分，由此界定腔体，并且其中在棒材轴向缩回之前，棒材远端的增塑部分填充该腔体。

在附加的示例性方面，公开将上部材料层相对于垂直轴搭接缝焊到下部材料层的方法。使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定，并且上部材料层和下部材料层具有相应的顶表面和底表面并且被构造用于沿着焊接横轴移动。焊接横轴与垂直轴基本上垂直。该方法包括：使棒材相对于垂直轴轴向第前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面；向旋转棒材施加轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑；在上部材料层的一部分增塑的情况下，向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向地前进所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成具有所需长度的冶金结合；以及使棒材相对于垂直轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

在其它示例性方面，当棒材的远端接触上部材料层的顶表面时，棒材与上部材料层的顶表面基本上垂直。

在其它示例性方面，上部材料层和下部材料层具有相应的厚度，并且上部材料层的厚度和下部材料层的厚度均在约0.5mm至约2mm的范围内。

在其它示例性方面，上部材料层和下部材料层均包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含不同于第一材料的第二材料。

在其它示例性方面，上部材料层包含第一材料，并且下部材料层包含不同于第一材料的第二材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第一材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含第二材料。在其它示例性方面，棒材的至少远端包含不同于第一材料和第二材料的第三材料。

在其它示例性方面，使至少一个中间材料层固定在上部材料层与下部材料层之间，并且该至少一个中间材料层的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，并且向旋转棒材施加轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层这一步骤包括向旋转棒材施加轴向力以使得每个中间材料层的顶表面和底表面的至少一部分变形，并且其中使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向地前进这一步骤包括使上部材料层、下部材料层和至少一个中间材料层轴向地前进所需长度，由此在上部材料层、至少一个中间材料层和下部材料层之间形成具有所需长度的冶金结合。

在其它示例性方面，棒材为非消耗性棒材。

在其它示例性方面，该方法作为本文所公开的包覆方法使用。

在其它示例性方面，在上部材料层与下部材料层之间形成搭接缝焊之后，该方法进一步包括将至少一个加性层搭接缝焊到上部材料层。

在其它示例性方面，棒材以在约800RPM至约1600RPM范围内的旋转速率旋转。

在其它示例性方面，施加到棒材的轴向力的在约5,000N至约9,000N的范围内。

在其它示例性方面，该方法作为本文所公开的加性制造方法使用。

在另一个示例性方面，公开将上部材料层相对于垂直轴搭接缝焊到下部材料层的方法。使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定，上部材料层和下部材料层具有相应的顶表面和底表面并且被构造用于沿着焊接横轴和贯轴移动。使焊接横轴和贯轴定位在基本上垂直于垂直轴的平面上，并且焊接横轴基本上垂直于贯轴。该方法包括：使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第一位置；向旋转棒材施加第一轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑；在上部材料层的一部分增塑的情况下，向旋转棒材施加第一轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向前进第一所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成第一缝焊缝；使棒材相对于垂直轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触；使棒材相对于垂直轴轴向前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置，顶表面上的第二位置与第一位置相对于贯轴间隔开来；向旋转棒材施加第二轴向力以使得棒材远端与上部材料层之间的摩擦热使上部材料层的一部分增塑；在上部材料层的一部分增塑的情况下，向旋转棒材施加第二轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向前进第二所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成第二缝焊缝；并且使棒材相对于垂直轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触，其中第一缝焊缝和第二缝焊缝相对于贯轴重叠。

在其它示例性方面，使至少一个中间材料层固定在上部材料层与下部材料层之间，并且该至少一个中间材料层的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，其中向旋转棒材施加第一轴向力和第二轴向力以使得棒材的远端穿透上部材料层的步骤包括向旋转棒材施加第一轴向力和第二轴向力以使得每个中间材料层的顶表面和底表面的至少一部分变形，并且其中使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向地前进的步骤包括使上部材料层、下部材料层和至少一个中间材料层轴向地前进第一所需长度和第二所需长度，由此在上部材料层、至少一个中间材料层和下部材料层之间形成第一缝焊缝和第二缝焊缝。

在其它示例性方面，在使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置的步骤之前，该方法包括使上部材料层和下部材料层相对于贯轴轴向地移位以使得垂直轴与第二位置基本上对齐。

在其它示例性方面，在使棒材相对于垂直轴轴向地前进和旋转以使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面上的第二位置的步骤之前，该方法包括使棒材相对于贯轴轴向地移位以使得垂直轴与第二位置基本上对齐。

在另一个示例性方面，提供用于将上部材料层相对于垂直轴焊接到下部材料层的搭接缝焊系统。使上部材料层与下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定，并且上部材料层和下部材料层具有相应的顶表面和底表面并且被构造用于沿着焊接横轴移动。焊接横轴与垂直轴基本上垂直。该搭接缝焊系统包括：棒材，该棒材具有远端和与垂直轴基本上轴向对齐的纵轴；用于使棒材相对于垂直轴选择性地轴向移动的装置；用于使棒材围绕棒材的纵轴选择性地旋转的装置；以及用于使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴选择性地轴向移动的装置，其中在棒材围绕棒材纵轴旋转的过程中，用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成向棒材施加轴向力，以便在棒材远端与上部材料层之间产生摩擦热，以使得上部材料层的一部分增塑，其中在上部材料层的一部分增塑的情况下，用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成向旋转棒材施加轴向力以使得上部材料层的底表面的一部分和下部材料层的顶表面的一部分变形，其中用于使上部材料层和下部材料层选择性地轴向移动的装置被构造成使上部材料层和下部材料层相对于焊接横轴轴向前进所需长度，由此在上部材料层与下部材料层之间形成具有所需长度的冶金结合，并且其中用于使棒材选择性地轴向移动的装置被构造成使棒材相对于垂直轴轴向缩回以使得棒材的远端脱离与上部材料层的顶表面的接触。

虽然以上说明书中已经公开本发明的若干实施方案，但本领域的技术人员应当理解，受益于以上描述和所配附图的教导，本发明所具有的很多变体及其它实施方案也是显而易见的。因此，应当理解，本发明不限于上文所公开的特定实施方案，并且很多变体及其它实施方案意欲包含在随附权利要求的范围内。此外，随后以及随附权利要求中使用了特定术语，但它们仅以一般和描述性意义使用而并非意在对上述发明和随附权利要求进行限制。

Claims (38)

1.一种使上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的方法，所述上部材料层与所述下部材料层的至少一部分以覆盖关系定位，所述上部和下部材料层具有相应的顶表面和底表面，所述方法包括：

使棒材相对于所述焊接轴轴向地前进和旋转，以使得所述棒材的远端接触所述上部材料层的所述顶表面；

向所述旋转棒材施加轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述上部材料层的一部分增塑；

在所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述上部材料层的所述底表面的一部分和所述下部材料层的所述顶表面的一部分变形，由此在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成冶金结合；以及

使所述棒材相对于所述焊接轴轴向地缩回，以使得所述棒材的所述远端脱离与所述上部材料层的所述顶表面的接触。

2.如权利要求1所述的方法，其中当所述棒材的所述远端接触所述上部材料层的所述顶表面时，所述棒材基本上垂直于所述上部材料层的所述顶表面。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述上部材料层和所述下部材料层具有相应的厚度，并且其中所述上部材料层的厚度和所述下部材料层的厚度均在约0.5mm至约3.25mm的范围内。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述上部材料层和所述下部材料层包含第一材料。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第一材料。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含不同于所述第一材料的第二材料。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述上部材料层包含第一材料，并且其中所述下部材料层包含不同于所述第一材料的第二材料。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第一材料。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第二材料。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含不同于所述第一材料和所述第二材料的第三材料。

11.如权利要求1所述的方法，其中使至少一个中间材料层定位在所述上部材料层与所述下部材料层之间，其中所述至少一个中间材料层中的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，并且其中向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述棒材的所述远端穿透所述上部材料层的步骤包括向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得每个中间材料层的所述顶表面和所述底表面的至少一部分变形，由此在所述上部材料层、所述至少一个中间材料层和所述下部材料层之间形成冶金结合。

12.如权利要求3所述的方法，其中所述棒材为非消耗性棒材。

13.如权利要求3所述的方法，其中所述棒材为消耗性棒材。

14.如权利要求13所述的方法，其中向所述旋转棒材施加轴向力的步骤包括向所述旋转棒材施加轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述棒材的所述远端的一部分增塑，其中，在所述棒材的所述远端的一部分和所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述棒材的所述远端穿透所述上部材料层的至少一部分，由此界定腔体，并且其中在所述消耗性棒材轴向缩回之前，所述棒材的所述远端的所述增塑部分填充所述腔体。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述棒材具有在约5mm至约25mm范围内的直径，其中在所述棒材的所述远端增塑之前，所述棒材具有在约50mm至约100mm范围内的纵向长度，并且其中在由所述棒材的所述远端的所述增塑部分填充所述腔体后，所述棒材的所述纵向长度在约45mm至约90mm的范围内。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述棒材以在约500RPM至约3,000RPM范围内的旋转速率旋转。

17.如权利要求1所述的方法，其中施加到所述棒材的所述轴向力在约1,000N至约25,000N的范围内。

18.一种使上部材料层相对于垂直轴搭接缝焊到下部材料层的方法，所述上部材料层与所述下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定，所述上部材料层和所述下部材料层具有相应的顶表面和底表面并且被构造用于沿着焊接横轴移动，所述焊接横轴基本上垂直于所述垂直轴，所述方法包括：

使棒材相对于所述垂直轴轴向地前进和旋转，以使得所述棒材的远端接触所述上部材料层的所述顶表面；

向所述旋转棒材施加轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述上部材料层的一部分增塑；

在所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述上部材料层的所述底表面的一部分和所述下部材料层的所述顶表面的一部分变形，

使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述焊接横轴轴向地前进所需长度，由此在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成具有所述所需长度的冶金结合；以及

使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地缩回，以使得所述棒材的所述远端脱离与所述上部材料层的所述顶表面的接触。

19.如权利要求18所述的方法，其中当所述棒材的所述远端接触所述上部材料层的所述顶表面时，所述棒材基本上垂直于所述上部材料层的所述顶表面。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述上部材料层和所述下部材料层具有相应的厚度，并且其中所述上部材料层的厚度和所述下部材料层的厚度均在约0.5mm至约2mm的范围内。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述上部材料层和所述下部材料层包含第一材料。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第一材料。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含不同于所述第一材料的第二材料。

24.如权利要求18所述的方法，其中所述上部材料层包含第一材料，并且其中所述下部材料层包含不同于所述第一材料的第二材料。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第一材料。

26.如权利要求24所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含所述第二材料。

27.如权利要求24所述的方法，其中所述棒材的至少所述远端包含不同于所述第一材料和所述第二材料的第三材料。

28.如权利要求18所述的方法，其中使至少一个中间材料层固定在所述上部材料层与所述下部材料层之间，其中所述至少一个中间材料层中的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，

其中向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述棒材的所述远端穿透所述上部材料层的步骤包括向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得每个中间材料层的所述顶表面和所述底表面的至少一部分变形，并且

其中使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述焊接横轴轴向地前进的步骤包括使所述上部材料层、所述下部材料层和所述至少一个中间材料层轴向地前进所述所需长度，由此在所述上部材料层、所述至少一个中间材料层和所述下部材料层之间形成具有所述所需长度的冶金结合。

29.如权利要求20所述的方法，其中所述棒材为非消耗性棒材。

30.如权利要求18所述的方法，其中所述方法作为包覆方法使用。

31.如权利要求18所述的方法，其中在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成所述搭接缝焊之后，所述方法进一步包括将至少一个加性层搭接缝焊到所述上部材料层。

32.如权利要求18所述的方法，其中所述棒材以在约800RPM至约1600RPM范围内的旋转速率旋转。

33.如权利要求18所述的方法，其中施加到所述棒材的所述轴向力在约5,000N至约9,000N的范围内。

34.如权利要求31所述的方法，其中所述方法作为加性制造方法使用。

35.一种使上部材料层相对于垂直轴搭接缝焊到下部材料层的方法，所述上部材料层与所述下部材料层的至少一部分以覆盖关系固定，所述上部材料层和所述下部材料层具有相应的顶表面和底表面并且被构造用于沿着焊接横轴和贯轴移动，所述焊接横轴和所述贯轴被定位在基本上垂直于所述垂直轴的平面上，所述焊接横轴基本上垂直于所述贯轴，所述方法包括：

使棒材相对于所述垂直轴轴向地前进和旋转，以使得所述棒材的远端接触所述上部材料层的所述顶表面上的第一位置；

向所述旋转棒材施加第一轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述上部材料层的一部分增塑；

在所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述第一轴向力以使得所述上部材料层的所述底表面的一部分和所述下部材料层的所述顶表面的一部分变形，

使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述焊接横轴轴向地前进第一所需长度，由此在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成第一缝焊缝；

使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地缩回，以使得所述棒材的所述远端脱离与所述上部材料层的所述顶表面的接触；

使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地前进和旋转，以使得所述棒材的所述远端接触所述上部材料层的所述顶表面上的第二位置，所述顶表面上的所述第二位置与所述第一位置相对于所述贯轴间隔开；

向所述旋转棒材施加第二轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述上部材料层的一部分增塑；

在所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述第二轴向力以使得所述上部材料层的所述底表面的一部分和所述下部材料层的所述顶表面的一部分变形，

使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述焊接横轴轴向地前进第二所需长度，由此在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成第二缝焊缝；以及

使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地缩回，以使得所述棒材的所述远端脱离与所述上部材料层的所述顶表面的接触，

其中所述第一缝焊缝和所述第二缝焊缝相对于所述贯轴重叠。

36.如权利要求35所述的方法，其中使至少一个中间材料层固定在所述上部材料层与所述下部材料层之间，其中所述至少一个中间材料层中的每个中间材料层均具有顶表面和底表面，

其中向所述旋转棒材施加所述第一轴向力和所述第二轴向力以使得所述棒材的所述远端穿透所述上部材料层的步骤包括向所述旋转棒材施加所述第一轴向力和所述第二轴向力以使得每个中间材料层的所述顶表面和所述底表面的至少一部分变形，并且

其中使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述焊接横轴轴向地前进的步骤包括使所述上部材料层、所述下部材料层和所述至少一个中间材料层轴向地前进所述第一所需长度和所述第二所需长度，由此在所述上部材料层、所述至少一个中间材料层与所述下部材料层之间形成所述第一缝焊缝和所述第二缝焊缝。

37.如权利要求35所述的方法，其中在使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地前进和旋转以使得所述棒材的所述远端接触所述上部材料层的所述顶表面上的所述第二位置的步骤之前，所述方法包括使所述上部材料层和所述下部材料层相对于所述贯轴轴向地移位以使得所述垂直轴与所述第二位置基本上对齐。

38.如权利要求35所述的方法，其中在使所述棒材相对于所述垂直轴轴向地前进和旋转以使得所述棒材的所述远端接触所述上部材料层的所述顶表面上的所述第二位置的步骤之前，所述方法包括使所述棒材相对于所述贯轴轴向地移位以使得所述垂直轴与所述第二位置基本上对齐。