CN108290244B - 搅拌摩擦焊接工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接工具，包括：旋转对称的柄，该柄具有预期用于接触接合部分的近端、和远端；以及销，所述销围绕旋转轴线居中布置，且该销在柄的近端具有比柄更小的直径，并因此相对于柄的由此界定的肩部区域突出，其中至少肩部区域中的柄以及销分别由耐高温的金属或由其合金构成，其特征在于，该销和/或肩部区域中的柄由复合材料构成或者被复合材料包覆，该复合材料基本上由钼、钨、铌或钽构成，或者由基于至少一种所述金属的合金构成；并且包括嵌入其中且由具有莫氏硬度＞6、微米范围的颗粒大小和1300K时低于‑350kJ/mol O2的自由生成焓的至少一种硬质材料构成的加固相。

Description

搅拌摩擦焊接工具
本发明涉及一种由耐高温金属或合金构成的搅拌摩擦焊接工具及其制造方法。
现有技术
搅拌摩擦焊接是大约二十年来就已知的焊接方法，其中工具由旋转对称的通常为圆柱形的柄构成，该柄在端部处从柄的肩部区域开始具有突出的具有更小直径的销，通过销一侧的端部将工具安装在待连接的工件旁并使之转动。通过销和相邻肩部区域的转动和由此产生的摩擦热来加热待连接工件的材料并使之变软。只要待连接工件的材料足够软时，销就会提供连接区域内待连接工件材料的紧密地混合。然后，当工件在销的啮合区域的范围内冷却时，就会产生比常规焊接方法更好的焊接位置，该焊接位置特别能够不含细孔和/或不希望的结构形态。
该方法避开了熔焊法的许多缺陷，因为它是固相过程并因此避免了已知的问题，如在焊缝中形成粗粒、熔化物在凝固时的收缩效应和热影响区域中不利的结构。
虽然还是新的技术发展，但搅拌摩擦焊接已经应用于众多领域中，尤其用于焊接低熔解材料构成的工件，例如铝合金。对于轻金属，尤其是金属片而言，将该方法也引入到已知对质量和可靠性均提出较高要求的航天航空工程中。
近来还尝试在焊接高熔解材料，例如焊接钢时实现通过搅拌摩擦焊接所得到的优点。但至今存在的问题是，所使用的搅拌摩擦焊接工具在高焊接温度时经常变形或快速磨损。此外，在焊接过程中还会出现销或针从柄上脱落或折断，或者柄自身折断。
目前并不能由商业上经济实惠的材料来满足工具特别是在旋转弯曲负荷下所要求的较高热硬度、热强度和刚性的组合以及热耐磨性，所以工具的耐用时间和耐用路径是令人无法接受的短。与用于焊接铝的工具不同的是，该工具通常仅有几米的耐用路径。
在铝的搅拌摩擦焊接中所应用的热作模具钢在搅拌摩擦焊接铁质材料和钢材时出现的特别高温度下是不适用的。由于钴粘结剂的软化，碳化钨-钴-硬质合金也不适用。钨-铼-合金显示出令人关注的潜力；但由于铼的价格非常贵而造成这一方案在商业上是不可行的。其他难熔金属如钼虽然展现出所要求的热强度，却具有较高的磨损，这对过程的安全性产生负面影响。可是难熔金属相比于陶瓷或硬质金属基本上具有如下优点，即轮廓在相应的磨损后还能够再次加工，并且工具因此能够多次重复使用。
除了典型的失效机制如摩擦损耗(abrasiver Verschleiβ)或疲劳断裂外，工具和待连接工件之间的化学相互作用是重要因素，然而这在文献中几乎没有被注意到。参与组分的高相对速度，与高温和施加的压力相组合导致摩擦化学反应，主要是能损坏工具和工件的参与物之间的化学相互作用。
可以通过在惰性气氛下进行FSW方法来避免最常见的摩擦化学反应，即由于参与组分与周围空气中的氧气反应引起的摩擦氧化。但却不能阻止工具和工件的组分间的相互扩散或彼此间的反应。这就会导致工件材料附接和焊接在工具上。在另外的工序过程中破坏所述附接时，工具材料也一起被破坏，并且工具表面因此进一步遭到损害。这种效果例如在使用超过一定使用寿命的由热作模具钢制成的工具来搅拌摩擦焊接铝时就已出现并导致工具的快速损坏。
也应该考虑到工具组分与工件的经典化学反应。例如在专利文献中被称为“超级研磨料”并因其较高的硬度和耐磨性而推荐给搅拌摩擦焊接工具使用的立方氮化硼(参考US 2002/011509A1)在搅拌摩擦焊接条件下与金属表面接触时通常很快分解。这一点例如在使用含cBN的工具搅拌摩擦焊接钛材料中得到了明确证实[Y.Zhang,Y.S.Sato,H.Kokawa,S.H.C.Park和S.Hirano，“Stir zone microstructure of commercial puritytitanium friction stir welded using pcBN tool”，Materials Science andEngineeringA，488,25-30(2008)]。
另一观点是搅拌摩擦焊缝被从工具中去除的材料污染。因为这种去除因系统原因而不可完全避免，所以期望具有通过溶解于基体晶格中以形成混晶而在待连接工件中不会对力学或化学特性引起负面效果(例如变脆的外来物相)的工具材料。当使用pcBN工具用于焊接钢时，能够在材料的搅拌区范围中发现σ相和富含Cr的硼化物。特别是对于奥氏体钢来说，这样一来，焊缝中的耐腐蚀性降低，然而这是务必应该避免的[Y.S.Sato,M.Muraguchi,H.Kokawa,“Tool Wear and Reactions in 304Stainless Steel during Friction StirWelding”，Materials Science Forum，675-677卷，第731-734页(2011年2月)]。
尤其是在高温时，为了改进工具材料的力学性能，能够借助对于整片难熔金属来说已知的技术加入结构稳定化分散体，即平均粒子直径在纳米范围，即＜1μm的细微的碳化物、氧化物、氮化物或硼化物，其提高了热硬度和热强度，并减少了特别是Mo和W在较高温时有结构粗糙化的趋势[参看例如G.Leichtfried,G.Thurner,R.Weirather,Proc.14thInt.Plansee Seminar，Reutte，卷4，第26-43页(1997)]。
另外，还加入了一定量的碳化物和其他耐高温材料，以提高热强度并减小磨损。因此，例如在2004年的GB2.402.905A中公开了上述由钨或基于钨的合金组成的搅拌摩擦焊接工具，该工具优选具有提高强度的、选自铼、钼、钽和铌，特别是固溶体中铼(优选以按重量计40％的量)的材料，并且此外还能够具有一种或多种浓度介于按重量计0.25％至2％的难熔碳化物。铪、锆、钽和铌的碳化物被称为后者的示例。另外借助冷等静压制来实现制造。
在EP 2.076.352 B1和基于其的WO 2008/102209 A2中，描述了一种搅拌摩擦焊接工具，该工具具有在必要时由合金W、Mo、Ta、Nb和/或Hf构成的肩部段和由一种或多种Mo、W、Hf、Zr、Ta、Rh、Nb、Ir、V、合金、其碳化物和氧化物构成的销段，其中后者特别具有按重量计0.001％至5％的La、Hf和/或Zr的碳化物和/或氮化物。此外，这两个段能够具有涂层，例如由钌、硅化物或碳化物构成的涂层。然而可能的氧化物和碳化物主要存在于表面上并且有时仅仅存在于相应段的涂层中，并例如通过磁控管喷涂或热喷镀来制备。这种氧化物和碳化物的颗粒尺寸未进行说明。
在US 2014/299651 A1中公开了一种Mo基搅拌摩擦焊接工具，其与上述GB2.402.905A相似地在必要时包含一种或多种Hf、Zr、Ta和/或Nb的难熔碳化物。然而既没有具体说明该难熔碳化物的量，也没有说明其颗粒尺寸。
如前所述，通常具有颗粒尺寸＜1μm(“分散体”)的已知碳化物和氧化物添加剂的目的是稳定各基体合金的结构或提高其温度稳定性。但并没有从此得出对于工具耐磨强度或摩擦系数的重大影响。
为了后者的目的，对发明人来说唯一已知的文件，US2002/011509 A1及其专利同族中其他成员公开了一种带有研磨料涂层的搅拌摩擦焊接工具，具体而言是由具有低于1μm至50μm范围中的颗粒尺寸的多晶立方氮化硼(PCBN)或多晶金刚石(PCD)构成的涂层。然而通过具有研磨料材质的涂层应该不会增加工具和工件之间的摩擦，而是与此相反，由于PCBN和PCB较之于例如钢更小的摩擦系数甚至会降低所述摩擦，但同时应该提高导热性(参看US 2002/011509 A1的[0098]和[0099]段)。为了在焊接点保持足够的温度，有时能够在研磨料涂层下设置热障。化学气相分离法和物理气相分离法(CVD，PVD)以及离子注入法被称为制造此类涂层的方法。但在US 2002/011509 A1并未公开任何一个用于这种搅拌摩擦焊接工具的具体实施例，因此该发明及专利申请说明书看上去仅为纯理论性的。
而正像发明人在其研究过程中所确定的那样，这种搅拌摩擦焊接工具的不足之处除了需要热障外还因研磨料涂层缺少化学稳定性而有较高的磨损。
本发明的目标在于，在此背景下提供一种至少能够部分消除上述缺点的搅拌摩擦焊接工具。
发明内容
该目标在本发明的第一方面通过提供一种搅拌摩擦焊接工具来实现，该搅拌摩擦焊接工具包括：旋转对称的柄，该柄具有预期用于接触接合部分的近端和与其相对的远端；以及销，该销围绕旋转轴线居中布置，且该销在柄的近端具有比柄小的直径并因此相对于柄的由此界定的肩部区域突出，其中至少在肩部区域中的柄以及销分别由选自耐高温的金属和合金的材料构成，且所述材料任选地包含结构稳定化的分散体，例如颗粒尺寸在纳米范围的碳化物、氧化物、氮化物和硼化物，
其特征如下：
所述销和/或肩部区域中的柄由复合材料构成或被复合材料包覆，所述复合材料
a)基本上由钼、钨、铌或钽构成，或者由基于至少一种所述金属的合金构成；并且
b)包括嵌入其中且由具有莫氏硬度≥6、微米范围的颗粒大小和1300K时低于-350kJ/mol O2的自由生成焓的至少一种硬质材料构成的加固相。
通过将根据本发明的加固相包含在基本上由钼、钨、铌和/或钽构成的搅拌摩擦焊接工具中或通过在肩部区域处包覆工具，能够相比于现有技术大大提高工具的耐磨强度。通过嵌入加固相的相对粗大的颗粒，该加固相优选包括具有颗粒尺寸在3至200μm，优选为5至200μm，更优选为10至200μm范围中的一种或多种硬质材料，它们均匀地分布在金属基体中并比现有技术中仅在表面形成的硬质材料的情况明显更能防止折断。此外，相对于分散体以多个十的指数倍提高的粒度还会致使表面积显著增大，这大大提升了复合结构的力学稳定性并为工具带来了明显延长的寿命。通过强负自由生成焓(负于-350kJ/mol O2)引起的硬质材料相对于待接合工件的化学惰性行为，明显降低了将工件材料焊接在工具上的趋势，并由此最小化与其相关的损坏，以及在加入待接合材料之后最小化非期望相的形成。
由于其高于2300K的高熔点而适合作为根据本发明的复合材料的基体的金属和其合金，即Mo、W、Nb、和Ta(以及理论上Os，然而Os因其较高的价格而不在考虑范围中)中，特别优选Mo、W和基于Mo、W的合金，原因在于它们在铁和铝(搅拌摩擦焊接时接合部分中两种最常见的组分)中极低的溶解度以及作为复合材料主成分的各金属在这种组合中的较低的扩散系数和扩散速度，因此可以进一步降低非期望的相的形成和将工件材料焊接在工具上。
在优选的实施方式中，至少一种硬质材料以5至30体积百分比，优选以10至20体积百分比包含在材料中，并因此以远高于目前为止将微粒硬质材料作为分散体使用的量的量包含在材料中，并且进一步加强了本发明的抗磨损效果。
加固相的至少一种硬质材料优选选自氧化铝、氧化锆、氧化钇及其混合物，因为这些材料具有非常高的热力学稳定性，并且由此并不或者仅最小程度地与工件材料如钢、不锈钢、铝及超级合金反应。在开始时提及的US 2002/011509 A1中公开的研磨料PCBN和PCD尽管其对根据本发明的工具而言硬度非常高但完全不适用，因为它具有(非常)过高的生成焓(标准生成焓ΔHf 0：氮化硼-254.4kJ/mol，金刚石+1.9kJ/mol；CBN在1300K时的ΔHf：≈-265kJ/mol)并因此在搅拌摩擦焊接时与接合部分的材料(非常)容易经历反应。
此外，为了利用添加带来的结构稳定化作用，根据本发明的搅拌摩擦焊接工具的材料能够以已知的方式包含颗粒直径在纳米范围、量至多按重量计5％的分散体。
并未特别限制复合材料在根据本发明工具之中或之上的布置，而且销和肩部区域或者整个柄，即整个工具由复合材料构成。然而主要出于花费原因只有工具的部分，优选销完全由复合材料构成，而其它部分，优选柄的肩部区域仅仅覆盖有由复合材料构成的层。特别优选地，在焊接过程中与接合部分接触的所有部分上设置复合材料。
能够通过已知的粉末冶金方法，例如类似于生产工业制造的材料TZM或MHC来实现根据本发明的工具的生产，从而能够以现有生产设备制造新的工具。随后的实施例将给出示例性的程序。
另一方面，本发明提供了在焊接方法，即搅拌摩擦焊接方法中根据第一方面的搅拌摩擦工具的用途，其特征在于，将所述搅拌摩擦工具用作工具。
附图简述
参考附图在下面的实施例中进一步对本发明进行说明，图中显示：
图1：根据现有技术的对比实施例1的搅拌摩擦焊接工具的表面的照片。
图2：根据现有技术的对比实施例2的搅拌摩擦焊接工具的表面的照片。
图3：实施例1的根据本发明的搅拌摩擦焊接工具的表面的照片。
实施例
程序的一般说明
在随后的对比实施例和用于本发明的实施例中，首先以相同的普遍已知的方法制造搅拌摩擦焊接工具，其中该方法包括如下步骤：
-将基体金属粉末与硬质材料粉末混合(其中可选的分散体在必要时在此之前与后者混合)，例如借助转鼓混合器混合30分钟；
-通过例如在300MPa下冷等静压制加强粉末混合；
-在还原气氛中预烧结，例如在氢气中在1200℃时预烧结60分钟；
-在气密钢容器中封装，抽真空并焊接；
-热等静压压缩，例如在1300℃时进行；
-通过切削加工(车削)移除外壳；
-热成形，例如在1200℃的预热温度时热轧；
其中最后两个步骤还可以调换顺序进行。
如此获得的工具接下来经受耐用度实验。为此将不同的工具材料在同等条件下在铝合金上进行测试。焊接参数对于所有工具而言均相同并且针对具体的工业实践。经过一定的焊接路径后对工具进行磨损研究。
对在此获得的表面进行视觉检查和对比。在附图1至3中示出了各表面的照片。
对比实施例1和2
在这些实施例中一方面制造了热作模具钢EN X40CrMoV5-1材质的工具，该材质接着还以54HRC来硬化(对比实施例1)，另一方面制造了镍基合金的
Figure BDA0001629899080000081
合金718，NiCr19NbMoy材质的工具(对比实施例2)。这些材料在专业文献中经常被提到用作搅拌摩擦焊接工具(参见例如Y.N.Zhang,X.Cao*,S.Larose和P.Wanjara的“Review of tools forfriction stir welding and processing”，Can.Metall.Quart.51(3)，250-261(2012))。
图1和2示出了在此获得的工具表面的照片。
从对比实施例1中的搅拌摩擦焊接工具在650m焊接路径之后的照片图1中完全清晰可见肩部上振纹的形成。该振纹是由于工具材料在搅拌摩擦焊接过程中与工件材料接触时较差的化学稳定性形成的。通过搅拌运动局部形成由工具部分和工件部分构成的材料连接，由此将工具材料的体积含量从工具中移除。图1除了振纹外还非常清晰地示出了这一体积损失。
图2示出了对比实施例2中搅拌摩擦焊接工具在400m焊接路径之后的对应表面。在此还能清晰可见相应的振纹和化学磨损。
实施例1
按上述方法由如下组分制造本发明的解释性的搅拌摩擦焊接工具：
-钼粉(φ＜32μm)；
-体积百分比为10％的熔融氧化铝(块状，φ25-63μm)；
-按重量计0.5％HfC(φ＜1μm；分散体)。
如此得到的根据本发明的搅拌摩擦焊接工具将进行如对比实施例中工具相似的测试。
图3是本发明的工具表面在1500m焊接路径之后的照片。与现有技术不同的是，在此仅可见相对细小的摩擦损耗。由于更好的化学稳定性而几乎没有出现与工件之间的相互作用。
因此，根据本发明的工具可实现比现有技术可达到的使用寿命明显更高的使用寿命。
现在还进行本发明的附加实施方式的其他测试。
因此，通过本发明提供在其化学稳定性上明显提高的搅拌摩擦焊接工具，该工具为搅拌摩擦焊接领域提供了非常经济实惠的优点。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊接工具，包括：旋转对称的柄，所述柄具有预期用于接触接合部分的近端和与其相对的远端；以及销，所述销围绕旋转轴线居中布置，且所述销在所述柄的近端具有比所述柄更小的直径，并因此相对于所述柄的由此界定的肩部区域突出，其中至少在所述肩部区域中的所述柄以及所述销分别由复合材料构成或被复合材料包覆，所述复合材料包括金属基体和硬质材料颗粒，所述金属基体基本上由钼、钨、铌或钽构成或者基本上由基于钼、钨、铌和钽中的至少一种的合金构成，所述硬质材料颗粒嵌入该金属基体中且具有≥6的莫氏硬度，
其特征在于，嵌入所述金属基体中的所述硬质材料颗粒包括至少一种硬质材料，所述硬质材料在所述金属基体中形成加固相，所述硬质材料具有在3至200μm范围内的颗粒尺寸并且均匀地分布在所述金属基体中，其中所述至少一种硬质材料在1300K时具有比-350kJ/mol O2更负的自由生成焓并且以5％至30％的体积百分比包含在所述复合材料中。
2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述加固相包括颗粒尺寸在5至200μm范围中的一种或多种硬质材料。
3.根据权利要求2所述的工具，其特征在于，所述加固相包括颗粒尺寸在10至200μm范围中的一种或多种硬质材料。
4.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述至少一种硬质材料以10％至20％的体积百分比包含在所述复合材料中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于，所述加固相的所述至少一种硬质材料选自氧化铝、氧化锆、氧化钇及其混合物。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于，所述复合材料基本上由Mo和/或W构成或由基于Mo和/或W的合金构成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于，所述复合材料包括量至多按重量计5％、颗粒直径在纳米范围的分散体。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于，所述销由所述复合材料构成，且所述柄的所述肩部区域覆盖有由所述复合材料构成的层。
9.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，使用根据权利要求1至8中任一项所述的搅拌摩擦焊接工具作为工具。
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