CN109465534B - 摩擦搅拌焊接工具、相关方法、以及形成为包括摩擦搅拌焊缝的组件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了摩擦搅拌焊接工具、相关方法、以及形成为包括摩擦搅拌焊缝的组件。描述了用于产生摩擦搅拌焊缝的工具、形成摩擦搅拌焊缝的方法、以及诸如包括摩擦搅拌焊缝的电子设备的组件。

Description

摩擦搅拌焊接工具、相关方法、以及形成为包括摩擦搅拌焊缝 的组件

技术领域

本发明涉及用于产生摩擦搅拌焊缝的工具、形成摩擦搅拌焊缝的方法、以及诸如(但不限于)包括摩擦搅拌焊缝的电子设备的组件。

背景技术

摩擦搅拌焊接是一种可用于通过牢固的永久金属结合(即焊接)来连接两个或多个单独的金属件的方法。该方法包括以高速旋转搅拌摩擦焊接工具并使工具在压力下在工件的边缘之间形成的接合部处接触。通过旋转的工具引入到接合部处的材料中的机械搅拌和摩擦热形成焊缝。通过沿着接合部移动旋转的工具来产生纵向接合部。

摩擦搅拌焊接可用于制造无数金属产品，这些金属产品由包括形成需要焊接的接合部的两个相邻金属件的工件或部件制成。作为单个非限制性示例，摩擦搅拌焊接可用于制造电子设备，诸如数据存储设备(例如，硬盘驱动器或HDD)、固态存储器、微电子设备和计算机(例如，个人计算机、手机、平板设备、笔记本电脑等)。

为了提高许多电子设备的可靠性，将它们的电子部件放置在可以封闭或密封以便防止水分、气体和微粒接触这些部件的金属外壳内。外壳可以非常紧密地密封，例如气密密封，以便产生组成稳定的内部气氛并防止其他气体进入或离开内部。一些气密密封的电子设备(例如，硬盘驱动器)的外壳可以被填充有非空气气氛，例如低密度气氛(例如氦气)，作为改善设备性能的方式。在低密度环境中操作硬盘驱动器有各种好处。硬盘驱动器HDD中的低密度气氛(相对于空气，例如氦气气氛)能减少影响旋转盘或紧密间隔的旋转盘的堆叠的阻力的量。减少的阻力量能显著减少导致盘或盘堆叠旋转所需的功率量。而且，低密度(例如氦气)气氛能减少在使用期间可能在旋转盘和盘悬架中发生的不希望的非旋转运动或“颤动”的量。减少盘或盘悬架的不希望的运动可以允许盘堆叠的相邻盘更紧密地放置在一起，这通过实现更窄的数据轨道间距从而增加了面密度(可以存储在盘表面的给定区域上的信息位数量的度量)。氦气的有效热传导还可以允许降低设备的操作温度，并且更低密度的气体(相对于空气)可以产生更少的声学噪声。由于降低了湿度、降低了其他腐蚀性气体和污染物的水平，并且由于气氛对高度和外部压力变化的敏感性降低，因此在气密密封的外壳中包含非空气气氛的硬盘驱动器的可靠性也能得到提高。

更一般地，除了制造电子设备的密封外壳之外，摩擦搅拌焊缝还可用于许多目的。在商业规模上，为了使摩擦搅拌焊缝成为将两个金属件焊接在一起的可选方法，摩擦搅拌焊接工艺必须高效、经济、可靠，并且必须生产出耐用且美观的高质量焊缝，意味着焊缝表面光滑，最好没有毛刺。当在气密密封的外壳上产生焊缝时，该焊缝必须是高度不透气的。需要将两个金属件焊接在一起的方法的制造商正在不断追求新的和改进的焊接工具和焊接方法。

发明内容

摩擦搅拌焊接是一种已知可用于焊接金属的各种应用的技术。参见例如美国专利号8,016,179和9,536,572，这些文献的全部内容通过引用并入本文。然而，已知摩擦搅拌焊接技术具有某些操作限制，并且应理解为并非对于需要两个单独金属件之间的焊缝的每种情况都必定有效或高效。摩擦搅拌焊接技术可用于焊接每个具有一定最小厚度的两个金属件，例如具有至少最小厚度的两个金属件，且这两个厚度接近相同。摩擦搅拌焊接不一定可靠或成功地用于将两个相对较薄的金属件焊接在一起，或者将具有相对薄的尺寸的第一金属件与具有相对较大厚度的第二金属件焊接在一起。

此外，即使摩擦搅拌焊接方法通常都有效，这些焊缝也可能容易在焊缝的成品表面上出现毛刺。当通过包括工具的高旋转速度和(在形成焊缝时沿着接合部的长度的工具)的高平移速度的过程形成摩擦搅拌焊缝时，特别可能形成毛刺，当在包括相对薄的材料的工件上形成摩擦搅拌焊缝时，通常需要高旋转速度和高平移速度的每一个。焊缝表面上的毛刺，特别是如果毛刺是尖锐的，由于很明显，因此是不希望的。这里使用的术语“毛刺”在焊接和金属切割领域中具有其共同含义，并且是指在焊接步骤期间形成并且保持在所焊接的工件的焊接区域处、例如焊缝边缘处的表面处的材料的突起或薄脊(通常是尖锐的)。

示例摩擦搅拌焊接工具尤其可包括支撑体，该支撑体具有以支撑体的轴线(旋转轴线)为中心的远端面、在远端面的周边处的肩部、以及从远端面沿着轴线在远端面和肩部的远侧方向上延伸的销。在摩擦搅拌焊接过程中，工具以相对高的速度绕轴线旋转。在旋转的同时，工具的远端面压靠在工件的表面上(术语“工件”指的是可以形成接合部的一个或多个单独的部件)。通常，工具的销被放置成与通过将两个部件的边缘放置在一起而形成的接合部或接缝接触，使得工具的远端面接触工件的表面。工具沿着工件的长度移动，例如，沿着两个分开的部件的接合部(有时称为接合表面)移动，这两个部件组合以便形成工件。

摩擦搅拌焊接可以认为是锻造过程。旋转摩擦搅拌焊接工具提供锻造热和力，其允许接合部处的材料被销搅拌在一起从而被软化和组合(混合)。摩擦搅拌焊接工具的主要功能特征包括远端面、肩部和销(也就是“尖端”或“搅拌尖端”)。肩部通过压力和旋转与工件表面保持接触，有效地产生摩擦热，该摩擦热有效地软化工件材料并开始锻造过程。从肩部延伸到工件的材料中的销在使用期间在软化的材料内旋转，以便将材料混合到焊缝的所期望的深度。由旋转的销软化、混合和搅拌的接合部处的材料有时被称为“混合焊接熔核”或“搅拌区”。旋转工具在平移方向上沿着接合部的长度行进，同时形成焊缝。旋转工具在接合部界面(有时称为“接合部材料”)处提供机械加热和工件材料的容纳，以便防止材料逃离搅拌区。

如下所述，描述了某些新的和创造性的工具和方法，其可用于形成摩擦搅拌焊缝。所描述的方法和工具可用于在具有任何有用的最终应用或目的的任何类型的工件中形成摩擦搅拌焊缝。所描述的方法和工具对于在工件上形成摩擦搅拌焊缝可能特别有用，该工件包括多个部件的组合，该多个部件包括至少一个相对薄的部件。可选地或除此以外，所描述的方法不太可能在成品焊缝上形成毛刺，并且可用于使用相对较高的工具旋转速度、相对较高的工具平移速度或者相对较低的下压力来形成摩擦搅拌焊缝。

用于上述方法的新颖且创造性的工具包括被倒角的肩部。如本文所用，术语“倒角”具有其共同含义，即指固体物体的两个表面之间的成角度的、倾斜的或斜边的边缘；参考如上所述的工具的肩部，工具的支撑体的远端面和外表面之间的倒角肩部是包括在该工具的支撑体的远端面和外表面之间延伸的倾斜、成角度的或斜边的表面的肩部；该倒角肩部表面位于支撑体的周边，是弧形的，并且还包括平行于工具的轴线而延伸的定向部件。倒角肩部不同于可比较的摩擦搅拌工具的某些在先类型的肩部结构，该在先类型的肩部结构包括相对尖锐的角部，工具的远端面的表面直接与工具的支撑体的表面在该角部处相遇。

倒角肩部可有效地改善摩擦搅拌焊接工具的一个或多个性能特征，改进使用该工具来形成摩擦搅拌焊缝的方法，或改进使用该工具产生的摩擦搅拌焊缝。可以基于相对于摩擦搅拌焊接工具(及它们的使用方法)的特征的比较来评估改进，该在先摩擦搅拌焊接工具包括非倒角肩部，诸如由在肩部的位置(即，在工具的远端面的周边上、远端面与支撑体的外表面相遇)处的尖角部(例如，九十度角部)构成的肩部。

作为相对于在先工具的一个益处，申请人已经确定摩擦搅拌焊接工具的倒角肩部能有效地减少或防止在使用该工具产生的成品摩擦搅拌焊缝处的毛刺的形成。同样地，远端面中的涡旋图案的槽的倒角侧壁也能有效地减少或防止在使用该工具产生的成品摩擦搅拌焊缝处的毛刺的形成。当以可能更容易产生毛刺的摩擦搅拌焊接操作参数(诸如工具的高旋转速度和高平移速度)来使用时，上文所述的具有倒角肩部并且可选地还具有远端面上的涡旋图案的槽的倒角侧壁的工具不容易在成品焊缝处形成毛刺。

可选地或另外地，摩擦搅拌工具的倒角肩部可以增加工具的强度和耐用性，这可以增加工具的使用寿命。在使用用于形成摩擦搅拌焊缝的工具期间，摩擦搅拌焊接工具的肩部处的尖角部或边缘将变得磨损或可能变形或损坏，尤其是在长时间使用以便形成许多焊缝的情况下。以这种方式，在工具的表面处存在尖角部或边缘有效地限制了工具的使用寿命，并且不包含相同尖角部的工具将表现出相对更长的使用寿命。

作为另一个潜在的优点，与肩部处的尖角部相比，倒角肩部可以具有相对改善的导热性能。尖角部可能倾向于更快速地积聚热量，并且在使用期间会更慢地失去热量，因此在使用期间将倾向于达到更高的温度。没有尖角部或边缘的倒角肩部可以更好地从工具散热，并且可以在较低温度下操作，这可以有效地转而进一步改善工具的使用寿命，或者可以替代地允许工具在更苛刻的操作参数下被用于摩擦搅拌焊接工艺，诸如以下操作参数中的任何一个或组合：增加的工具旋转速度、增加的平移速度或增加的下压力。

在一个方面，本发明涉及一种用于形成摩擦搅拌焊缝的工具。该工具包括支撑体，该支撑体包括轴线、以轴线为中心的外表面、以及具有以轴线为中心的远端面并延伸至远端面周边的远端。该工具还包括从远端面沿轴线延伸的销以及远端面中的涡旋图案。涡旋图案包括在远端面中的多个弓形槽，每个槽从位于轴线和远端面周边之间的槽起始位置延伸到远端面周边处的槽端部区段。该工具还包括在槽端部区段之间的周边处的倒角肩部区段。

另一方面，本发明涉及一种形成摩擦搅拌焊缝的方法。该方法包括：提供包括形成在第一金属件和第二金属件之间的接合部的工件；提供本文所述的工具；使工具与接合部接触；以及当工具接触接合部时，使工具围绕轴线旋转，以便在第一金属件和第二金属件之间形成摩擦搅拌焊缝。

附图说明

图1是本说明书的示例工具的侧透视图。

图2A、图2B、图2C和图2D示出了本说明书的替代工具的示例。

图3A和图3B(分别)是本说明书的组件的侧透视图和侧剖视图。

图4图示了所描述的方法的示例。

具体实施方式

本说明书的摩擦搅拌焊接工具包括支撑体，该支撑体具有轴线(例如，旋转轴线或纵向轴线)、以轴线为中心的外表面、以及以轴线为中心并从轴线横向延伸到远端面周边的远端面。销在沿着轴线的方向上从远端面以远离远端面的方式延伸。远端面包括涡旋图案，该涡旋图案包括形成在远端面中的至少两个弧形槽，每个槽从位于轴线和远端面周边之间的槽起始位置延伸到远端面周边处的槽端部区段。

同样位于远端面周边的是肩部区段，其围绕周边延伸，交替地在槽端部区段之间延伸，并且将远端面的表面连接到支撑体的外表面的远端。倒角肩部区段是沿着远端面的周边的弯曲路径纵向延伸的表面。倒角肩部区段包括在倒角肩部区段和远端面之间形成的角部处的纵向边缘、以及形成在倒角肩部区段和支撑体的外表面之间的第二角部处的第二纵向边缘。当在包括轴线的平面中以横截面观察时，边缘之间的表面可以表征为包括在平行于轴线的方向上(即，在近侧至远侧方向上)的尺寸，并且当这样观察时可以是与轴线成角度的平坦(线性)表面。在沿着该表面延伸的线与轴线之间形成的角度可以是可用于提供所描述的所期望的倒角的角度，包括30度至60度范围内的示例角度。

工具的示例如图1所示。如图所示，工具100包括支撑体102，该支撑体102具有纵向轴线(A)、以轴线为中心的外表面104、以及以轴线为中心并且从轴线横向延伸到远端面106和支撑体102的周边108的远端面106。销110在沿着轴线的方向上从远端面106以远离远端面106的方式延伸。

远端面106包括涡旋图案，该涡旋图案包括形成在远端面106中的至少两个弧形(当在轴线A的方向上观察时)槽120。每个槽120从位于轴线和周边108之间的槽起始位置122延伸到周边108处的槽端部区段124。远端面106中的每个槽的深度可以根据需要成形，其中有用或优选的槽具有相对于远端面106的表面在0.05毫米至0.5毫米的范围内的最大深度。优选的槽可具有如下形状(当在包括轴线的平面中的横截面中观察时)，其包括底部130(在槽的最大深度处)和从底部130延伸到每个槽120的相对远侧(例如，上部)的边缘134的侧壁132，其中每个槽120在角部边缘处与远端面106相遇。优选的槽的形状可以包括相对于轴线A的方向弯曲或成角度的侧壁132，即，不平行于轴线A。例如，侧壁132可以是弯曲的、或者优选地以与工具的倒角肩部区段140的角度相似或相同的方式和角度进行倒角。在横截面中，有用的或优选的倒角侧壁可以具有被认为沿着与轴线不平行的线延伸的表面，例如沿着与轴线形成角度的线，该角度在30度到60度的范围内。弯曲或倒角的侧壁132与垂直的侧壁不同，垂直意味着侧壁在平行于轴线A的方向上延伸。

如图所示，工具100包括三个倒角肩部区段140，其沿着三个槽端部区段124之间的周边108延伸。每个倒角肩部区段140沿着周边108在两个相邻的槽端部区段124之间延伸。每个倒角肩部区段140包括连接远端面106与支撑体102的外表面104的远端并在它们之间延伸的表面，每个表面在包括与轴线平行的定向部件的方向上延伸。在轴线的平面中的横截面中，每个倒角肩部区段表面可以被认为沿着与轴线不平行的线延伸，例如沿着与轴线形成角度的线，该角度在30度到60度的范围内。

销110可具有当用于摩擦搅拌焊接时将提供工具100的期望性能的任何结构、形状或形式。销110的形状的有用和优选示例可包括多个外表面(例如，侧壁)，其包括三个或更多小面112，该小面112是平坦或平面表面，其可优选地定向为不平行于轴线A。小面112可以连接到相邻小面或者可选地可以被圆形部分114中断(如图1所示)。销上的小面的数量可以是期望的和有用的，例如，至少3个，并且最多5个、6个、8个或更多。销110的远端销端(销110的最远离远端面106的部分)可以是平坦的和平面的，即相对于轴线A垂直(见图1)，或(见图2A、图2C和图2D)例如，如果由小面112的相交形成，则可以是角形的、有角部的或基本上尖锐的。

所描述的工具的具体尺寸可以是任何可用于形成摩擦搅拌焊缝的尺寸。支撑体的有用尺寸(例如，远端面处的直径)、槽和工具的销可以与在先的可用于形成摩擦搅拌焊缝的工具相比。然而，根据本说明书的工具的某些实施例，工具可具有相对较小的特征尺寸，这可允许工具用于形成具有潜在有利的操作参数的摩擦搅拌焊缝，例如通过使用相对较高的工具旋转速度(rpm)、相对较高的平移速度或降低的下压力。

更详细地，支撑体和销的有用尺寸可以是能够用于形成期望的摩擦搅拌焊缝的尺寸，其中任何特定工具的尺寸基于包括工件的类型和尺寸(例如，厚度)、正在形成的摩擦搅拌焊缝的期望的大小尺寸(宽度和深度)、以及期望的或优选的操作参数(诸如转速(rpm)、平移速度和下压力)的因素来选择。对于能够实现包括从相对薄的工件形成摩擦搅拌焊缝的优选用途、或者用于在包括相对高的旋转速度(RPM)、相对高的平移速度或相对低的下压力中的一个或多个的摩擦搅拌焊接工艺中使用的工具而言，某些相对较小的尺寸可以是优选的，诸如支撑体的相对小的直径、销的相对短的长度以及销的相对小的直径。根据这样的实施例，在肩部处或肩部附近的支撑体的直径可小于约10毫米，例如，在2毫米到10毫米的范围内，诸如3毫米到4毫米或3毫米到5毫米。同样根据这些实施例，销的长度可以是足以形成所期望的深度的焊缝的长度；当使用相对薄的工件时，示例销的长度可以在0.2毫米到1.5毫米的范围内，诸如0.2毫米到0.6毫米或0.8毫米。在位于销与远端面的连接处的销的底座处测量到的这种实施例的销的直径可以在0.5毫米到1.5毫米的范围内。

所描述的工具的其他设计的示例在图2A至图2D中示出。除非另有说明或示出，否则图2A至图2D的示例工具100应理解为包括本说明书的特征，包括被描述为图1的工具100的一部分的特征。例如，图2A至图2D的工具100中的每一个包括支撑体102、外表面104、远端面106、销110、槽120、倒角肩部区段140和轴线A。图2A的示例工具100(线图、透视图)至图2D还包括槽120，该槽120示出为包括倒角侧壁132。另外，图2A至图2D的工具可包括如下的变化或附加特征。图2A(线图)和图2B(照片)示出了三面销110(小面由圆圈表示)。图2C(沿轴线A的端视图)和图2D示出了工具100的另一个实施例，包括六边(六边形)小面销110。

本说明书的工具可以通过形成、成形和加工(例如，硬化)金属件以旨在用于切割、铣削、摩擦搅拌焊接或加工另一件金属的目的的任何有用的方法来制造。有用方法的具体实例包括铣削和CNC(计算机数字控制)加工较大的金属块以便形成工具。

所描述的工具可用于在工件的两个相邻件或部件(例如，两个金属件)之间形成的接合部处形成摩擦搅拌焊缝。工件的多个件的实例可以是两个相邻的金属件，其包括相对的表面和边缘，所述相对的表面和边缘配合在一起以便形成接合部，例如以便在接合部处提供两个件之间的紧密配合，以便防止或最小化在两个表面之间的空间的存在，该空间可能含有空气。该两个件和接合部可以具有任何可以被摩擦搅拌焊接以便产生有效焊缝的结构。非限制性示例包括有时被称为对接接合部、搭接接合部、平行接合部、肩部接合部、角接合部等的接合部，其包括保持在一起以便形成断开的接合部的两个单独的件，在该接合部处可以形成摩擦搅拌焊缝。

虽然本说明书的方法和工具可用于在任意两个金属件上形成焊缝，但本发明的某些特定实施例涉及用于在工件上形成摩擦搅拌焊缝的方法，该工件是配合在一起以便形成用于电子设备的外壳的两个金属件的组件。这样的组件包括两个金属件，它们可以彼此相邻放置并彼此接触以便形成外壳，这两个金属件的表面形成接合部，在该接合部处可以产生摩擦搅拌焊缝以便将这两个金属件彼此接合(焊接)。示例外壳可用作电子设备的一部分，例如气密密封的硬盘驱动器、固态存储器设备、半导体设备、或者通用计算设备，诸如个人(台式)计算机、手机、平板设备、笔记本电脑等。

理想地，作为某些类型的外壳或电子设备的特征，外壳的内部空间可以填充低密度气体，以便在外壳内提供低密度(相对于空气)的气氛。在用低密度气体填充内部之后，可以加工接合部以便沿着接合部的整个长度、通常围绕设备的整个周边来形成摩擦搅拌焊缝，以便气密密封包含低密度气体的外壳。示例气密密封的外壳包括摩擦搅拌焊缝，该摩擦搅拌焊缝可以允许从外壳泄漏的泄漏率不超过非常低的泄漏率，例如泄漏率小于每年在外壳内部存在的大气(气体)体积的1％。包括底座和盖并且可以气密密封以便包含低密度气氛的硬盘驱动器的例子描述在美国专利号9,536,572以及申请人的与本申请同日提交的题为“具有摩擦搅拌焊缝的组件、设备、其前体和相关方法”的共同未决的美国专利申请中，这些文献中的每一篇的全部内容通过引用并入本文。还参见美国专利号8,279,552，其描述了一种气密密封的硬盘。

图3A和图3B示出了这种类型工件的单个示例，其具体示出了电子设备的示例，例如硬盘驱动器10，该硬盘驱动器10包括由底座12、盖20制成的外壳并且包括内部(腔体)2。底座12包括水平延伸的底部14，该底部14具有周边，侧壁16从该周边沿向上的垂直方向延伸(即，相对于水平延伸的底部14至少基本上或近似垂直)。盖20包括水平延伸的顶部22，该顶部22具有周边，缘24从该周边沿向下的垂直方向延伸(即，相对于水平延伸的顶部22至少基本上或近似垂直)。缘24的下端在接合部30处与侧壁16相遇，如在接合部处形成焊缝之前所示。

可以通过旋转本说明书的摩擦搅拌焊接工具并在接合部处使旋转工具接触工件来执行例如在所述的接合部处摩擦搅拌焊接两件工件的方法。与工件接触并旋转的工具产生热量以便软化并允许工件的材料的流动和混合。具体地，旋转的工具使用机械压力加热并机械混合和连接加热的材料以便软化该材料，同时，旋转的销有效地混合软化的材料。在优选实施例中，摩擦搅拌焊缝的深度至少与构成工件的一个或两个件的厚度一样深，优选比工件的一个或两个材料的厚度大至少5％或10％。

参照图4，在所述的接合部处形成摩擦搅拌焊缝的方法可以通过提供如本文所述的工具200并在接合部210处施加压力的同时旋转该工具来执行。第一金属部件(件)204和第二金属部件(件)206在相邻边缘处相遇并保持在一起以便形成接合部210。工具200包括具有纵向轴线222和远端224的支撑体220。在远端224处的倒角肩部区段226位于远端面228的周边(如图所示，保持在接合部210的顶表面上)，并且适于在摩擦搅拌焊接期间在接合部210处接触件204和206的表面。远端面228以轴线222为中心并且在倒角肩部226处以轴线为中心横向延伸到周边。沿着轴线222从远端面228在远侧方向上延伸的是销230，其在摩擦搅拌焊接期间在接合部210处延伸到第一金属件204和第二金属件206中。来自工具200的压力被施加到接合部210，同时工具200被旋转以便软化和混合金属件204和206的材料。当工具200沿接合部210移动时，在工件的表面下方形成搅拌区212。

形成摩擦搅拌焊缝的有用步骤的参数可以是任何可用于产生所期望的摩擦搅拌焊缝(优选为不包括虫孔的摩擦搅拌焊缝)的参数。可以选择和控制的参数的示例包括工具的旋转速度、工具对工件的下压力、形成焊缝的同时工具沿接合部的长度的速度(平移速度)，以及工具本身的尺寸，诸如工具在肩部(远端面)上的直径、销的直径的长度(销长度沿工具的轴线自远端面起测量)、远端面上的螺旋槽的深度和形状以及其它特征。

可以选择工具的直径以便产生具有所期望尺寸(宽度和深度)的摩擦搅拌焊缝，其具有所期望的强度，并且可用于有效地准备如上所述的摩擦搅拌焊缝。可以基于工件的特征(例如，厚度)和焊接步骤的参数来选择这些特征。用于在优选方法中使用的工具在肩部(例如在支撑体的远端)处的优选直径、和使用该工具的摩擦搅拌焊缝的相应宽度的示例可以小于约10毫米，例如，在2毫米到10毫米的范围内，诸如3毫米到4毫米或3毫米到5毫米。

摩擦搅拌焊缝的所期望的深度可以优选地至少与其上形成焊缝的工件的一个件或两个件的厚度一样深，并且优选地比该厚度深。摩擦搅拌焊缝的深度通常略大于从销从用于形成焊缝的工具的远端面延伸的长度。为了形成所期望深度的焊缝，销的长度应至少与工件的一个件或两个件的厚度一样长，例如比一个工件(两个较薄的工件)或两个工件的厚度大至少5％、10％、20％或30％。根据工具和摩擦搅拌焊接方法的某些实施例，销的长度可以在0.2毫米至1.5毫米的范围内。在位于销与远端面的连接处的销的底座处测量到的销的直径可以是任何有用的直径，诸如在销与远端面的连接处的销的底座处测量到的0.5毫米至1.5毫米的范围内的直径。

在形成焊缝期间，工具可以以可用于向工件添加足够的能量的速度旋转以便软化工件的材料并允许通过使销旋转来混合材料。如上所述用于形成有用或优选的摩擦搅拌焊缝的工具的有用和优选的旋转速度可以是至少1,000转/分钟(rpm)，例如，至少2,000rpm，或至少6,000、8,000或12,000rpm，并且最多约30,000rpm。

在焊缝形成期间，工具，即在远端面处，可用于沿着工具轴的线并朝向工件的方向将下压力施加到工件上。可以使用将有效地以高效的方式形成所期望的焊缝的任何量的下压力。下压力的优选量的示例可小于约1,000牛顿，例如小于500牛顿。

在焊缝形成期间，工具可以在长度方向上以任何有用的速度沿着工件、例如在接合部处移动，优选地是将有效地形成无毛刺焊缝的速度。在形成摩擦搅拌焊缝期间沿着接合部的工具的有用速度(平移速度)的示例可以在约0.1米/分钟至3米/分钟(1.6毫米/秒至50毫米/秒)的范围内。

Claims (26)

1.一种用于形成摩擦搅拌焊缝的工具，所述工具包括：

支撑体，所述支撑体具有：

纵向轴线，

以所述轴线为中心的外表面，以及

远端，所述远端具有以所述轴线为中心的远端面并延伸到远端面周边，

销，所述销从所述远端面沿着所述轴线延伸，

所述远端面中的涡旋图案，所述涡旋图案包括在所述远端面中的多个弓形槽，每个槽从位于所述轴线和所述远端面周边之间的槽起始位置延伸到所述远端面周边处的槽端部区段，以及

在所述槽端部区段之间的所述远端面周边处的倒角肩部区段。

2.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述倒角肩部区段包括在所述外表面和所述远端面之间延伸的表面。

3.如权利要求2所述的工具，其特征在于，所述倒角肩部表面沿着所述周边在由所述倒角肩部表面和所述外表面限定的支撑体边缘和由所述倒角肩部表面和所述远端面限定的面边缘之间延伸。

4.如权利要求3所述的工具，其特征在于，在所述轴线和连接所述支撑体边缘和所述面边缘的线的相交处的角度在30度到60度的范围内。

5.如权利要求3或4所述的工具，其特征在于，在包括所述轴线的横截面中观察到的倒角肩部表面是所述支撑体边缘和所述面边缘之间的线。

6.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述涡旋图案包括多个螺旋槽，并且每个槽沿所述远端面远离所述轴线延伸到所述周边。

7.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述槽相对于所述远端面的深度在0.05毫米到0.5毫米的范围内。

8.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述销包括：

底座，在所述销和所述远端面之间的连接处并且以所述轴线为中心，

远端销端部，沿所述轴线远离所述底座来定位并且以所述轴线为中心，以及

销侧壁，所述销侧壁在所述底座和所述远端销端部之间延伸。

9.如权利要求8所述的工具，其特征在于，所述销侧壁包括3到8个小面。

10.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述支撑体具有2毫米到10毫米的范围内的直径。

11.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述销具有在所述销与所述远端面之间的连接处测量的0.01毫米到1.5毫米的范围内的直径。

12.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述销具有沿着所述轴线在0.1毫米到1.5毫米的范围内的长度。

13.如权利要求1所述的工具，其特征在于，所述槽包括倒角侧壁。

14.一种形成摩擦搅拌焊缝的方法，所述方法包括：

提供包括第一金属件和第二金属件的工件，

提供如权利要求1至13中任一项所述的工具，

使所述工具与所述工件接触，以及

当所述工具接触所述工件时，使所述工具围绕所述轴线旋转，以便在所述第一金属件和所述第二金属件之间形成摩擦搅拌焊缝。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述工具与所述工件接触的情况下，所述第一金属件在所述轴线的方向上具有第一厚度，并且所述第二金属件在所述轴线的方向上具有第二厚度，并且所述第一厚度小于所述第二厚度。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一厚度小于0.5毫米并且所述第二厚度大于0.5毫米。

17.如权利要求15至16中任一项所述的方法，其特征在于，在旋转期间，所述销延伸到所述工件的大于所述第一厚度的深度。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述深度比所述第一厚度大至少10％。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述摩擦搅拌焊缝具有2毫米到10毫米的范围内的宽度。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述焊缝不包括毛刺。

21.如权利要求14所述的方法，包括以1,000转/分钟到30,000转/分钟的范围内的速度旋转所述工具。

22.如权利要求14所述的方法，包括：在旋转期间，从所述工具向所述第一金属件和所述第二金属件之间的接合部施加在所述轴线的方向上的下压力，所述下压力小于1,000牛顿。

23.如权利要求14所述的方法，包括：在旋转期间，以0.1米/分钟到3米/分钟的范围内的速度沿着所述第一金属件和所述第二金属件之间的接合部移动所述工具。

24.如权利要求14所述的方法，包括在所述工件的周边处形成所述摩擦搅拌焊缝，其中所述摩擦搅拌焊缝在所述周边处提供气密密封。

25.一种装置，包括通过权利要求14至24中任一项所述的方法形成的摩擦搅拌焊缝。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述装置包括外壳，所述外壳包括所述摩擦搅拌焊缝。

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