CN109475971B - 用于固态形成通道和焊接接头的非消耗性工具和方法及基于相似或不相似材料的初始大块部件的至少两个部件的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可旋转、可推入、且可沿自由路径行进的非消耗性工具，用于形成通道和焊接接头。工具包括肩部和探头，肩部具有面向拟加工部件的材料的表面。肩部(5b)和探头(5a)被布置成对至少两个拟加工部件(3)的材料具有同时和同步的作用。面向至少两个拟加工部件(3)的肩部(5b)具有被成形以在至少两个拟加工部件(3)上具有向内作用和向外作用的涡卷系统(13、14)。探头(5a)包括具有顶区(9)的柱形或锥形表面，顶区(9)的轮廓(9a)沿朝向肩部(5b)的方向对拟加工部件(3)具有上推作用。顶区(9)止于底区(10)之处或其近处，底区(10)的轮廓(10a)沿朝向尖端(11)的方向对拟加工部件(3)具有下推作用。工具能够通过一个单一动作在至少两个部件(3)之间形成通道(2)和焊接部(1)。

Description

用于固态形成通道和焊接接头的非消耗性工具和方法及基于 相似或不相似材料的初始大块部件的至少两个部件的结构

技术领域

本发明涉及通过一个同时的动作在相似或不相似材料的多个(至少两个)大块部件之间形成通道和焊接接头，该形成基于一种结合固态摩擦搅拌加工方法的多种构思的新解决方案。

本发明的目的

本发明的一个目的在于：一种可旋转的、可推入的、且可沿自由路径行进的非消耗性工具，用于形成通道和焊接接头，所述工具包括肩部和探头，所述肩部具有面向拟加工部件的材料的表面。

本发明的另一目的在于：一种用于固态形成通道和焊接接头的方法。

本发明的又一目的在于：一种多部件结构，多部件结构在至少两个部件之间具有封闭通道和焊接部，封闭通道和焊接部能通过本发明的方法获得。

背景技术

内部封闭通道是具有多种高应用潜力且常出现在中空挤制部件和传热应用中的结构特征。存在多种方法形成这种类型的通道，即，钻制、磨制、挤制、三维打印、放电加工、铸造、制管和管道。制造方法限制了通道设计，一些方法要求多个加工阶段以形成内部封闭通道。这些限制增大了应用材料用量且不利于高效优化结构的可能性。广泛使用的通道形成方法的示例是钻制。钻制是快速经济的方法，形成具有圆形截面的直形通道。为了形成复杂通道路径，需要多个直形钻孔，额外的塞用于将流沿不同方向引导。另一常用示例是磨制。具有可交替截面的相当复杂的通道可通过磨制适宜的时间而制成。不过，磨制的通道是开放的，因而需要盖加以封闭。这种盖需要通过额外的随后加工进行附接。一些其它示例是基于挤制的部件(其中通道是线性的)，以及管的使用。管可沿曲线形状弯曲，由于其是密封的，不需要额外密封。不过，管需要预成形的槽或来自额外结构部件(例如板或片)的类似支撑。利用支撑结构的管的使用还要求额外的接合方法，多个部件之间的固有界面减小传热效率。通常，所有这些方法在改变通道设计以将其调节至更佳的设计方案或新需求方面具有低的灵活性。金属的三维打印的方法能够形成由各种材料制成的复杂通道。不过，对于金属部件而言，三维打印的制造速度目前较低，且该方法需要昂贵的基材，例如金属粉末，基材的制造是高能耗的。传统的摩擦搅拌通道形成(FSC)是制造具有自由路径的内部封闭通道的灵活的技术，但意在应用于大块部件中。本发明的新方法意在仅通过一个动作应用，能够优化由相似或不相似材料制成的多部件结构，作为形成具有自由路径的内部封闭通道的新的范例。

现有技术描述

基于摩擦搅拌的方法已有显著的发展，主要是从由Wayne Thomas等人(TWI，UK)1991年的摩擦搅拌焊接(FSW)的发明开始[1]。基于摩擦搅拌的方法的一个相关变例是FSC方法，2005年由Mishra获得专利权，为制造换热器的方法[2]。Mishra提出，通过逆转材料流样式并通过选择摩擦搅拌加工的适合的加工参数，可以在单件金属部件内形成连续且稳定的通道。引入产生通道的构思，这是因为空腔缺陷(可存在于FSW接头中的内部缺陷)转变为稳定制造技术，其中从金属工件提取的所有材料被铺设在工具肩部下方的被加工区上，处于工具肩部与金属工具之间的缝隙内。对于这种缝隙或间隙的需要是FSC的第一构思与传统摩擦搅拌加工过程(其中，工具肩部的基体保持接触于金属工件的顶表面以产生形成无缺陷部件所需的锻造作用)之间的主要区别。此后，在2009年，Balasubramanian等人[3]提出这些通道的表征。

初始FSC方法的新构思在2013年由Vidal和Vilaca获得专利权[4]。新构思基于不同的材料流，其中来自金属工件的受控量的粘塑化材料从被加工区流出，从而形成内部通道，而在工具肩部与实体金属工件之间没有任何间隙。这样，从实体金属工件的内部流出的材料不堆积到被加工表面上，而是以可自分离的碎片的形式被引导到被加工区外。工具肩部上的涡卷能够使此材料流从肩部中心下流到被加工区的周边。通道的位置和尺寸因而可控制，被加工表面可保持在相同的初始水平。这些通道的详细特征由Vidal[5]在其博士论文中表征并由Vilaca等人[6]表征。

更近期地，Rashidi等人[7、8]报道了用于执行FSC(名为改进FSC)的可替代方式。在此方式中，非螺纹式工具探头(具有倾斜角度和肩部与金属工件顶表面之间的缝隙)用于提取材料和形成通道。这种最后的方式没有引入新构思。

存在一些其它发明，包括基于通道和摩擦搅拌的方法，不过它们与本发明的方法的构思没有相似性。作为示例，Davis在2014年公开了[9]一种用于导引导电体通过基本任意适合的金属制造件中的子表面通道的方法，包括：在所述件的表面中形成的槽中摩擦搅拌焊接帽以形成子表面通道。在此情况下，FSW用于封闭结构部件，其中初始构造已限定所述通道。

发明内容

本发明的可旋转的、可推入的、且可沿自由路径行进的非消耗性工具，其特征在于，所述肩部和所述探头被布置成在至少两个拟加工部件的材料中具有同时和同步的作用，所述肩部面向所述至少两个拟加工部件并具有被成形以在所述至少两个拟加工部件上具有向内作用和向外作用的涡卷系统；其特征还在于：所述探头包括具有顶区的柱形或锥形表面，所述顶区的轮廓沿朝向所述肩部的方向对所述拟加工部件具有上推作用，所述顶区止于底区之处或其近处，所述底区的轮廓沿朝向尖端的方向对所述拟加工部件具有下推作用，从而能够通过一个单一动作在所述至少两个部件之间形成通道和焊接部，以将所述至少两个部件集成接合到一起。

根据本发明的非消耗性工具的优选实施例在从属权利要求2至6中限定。

本发明的方法的特征在于：通过旋转式的非消耗性工具同时形成所述通道和焊接部，所述非消耗性工具具有肩部和探头，其中所述肩部和所述探头均能够将固态接合和材料提取机制同时应用于搅拌加工区内的材料中，其中在至少两个材料部件之间的所述通道和所述焊接部通过一个单一的同时的动作形成。

本发明的方法的优选实施例在从属权利要求7至17中限定。

根据本发明的多部件结构的特征在权利要求18中限定。

本发明的方法是用于通过一个同时的动作在多个部件之间制造出定制的内部封闭通道和焊接接头的方法(图1)。接头中的多个部件的几何布置可被设计为重叠接头、对接接头、或重叠和对接接头的组合(如图2中所示)。多个部件可具有相似或不相似的材料。本发明的方法使用非消耗性工具，其使多个部件的被加工区塑性变形。在本发明的方法过程中，多个部件的材料被搅拌，在被加工区启动固态接合机制，形成焊接部。同时，工具的几何形状特征从被加工区将被搅拌材料的一部分提取为外部碎片，从而形成通道。本发明的方法是可控的、可重复的，并且能够形成具有宽范围尺度和自由路径的通道。通道可具有恒定的或连续可变的截面尺度。通道表面的最终形态是粗糙的，这易于在低流速下形成涡流，从而允许形成通过低能量进行操作的高效的传热系统。

现存用于FSC方法的所有先前构思意在应用于单片部件中。本发明的新方法能够实现结构设计解决方案，其中可局部添加额外厚度，或者，可在通道形成过程中包括具有专用物理/化学性能的第三体材料。这样，本发明的方法是颠覆性的构思，能够实现新的且更高效的结构设计。

附图说明

图1显示出被加工区内的焊接部1和内部封闭通道2，其由于应用于多个部件3的本发明的加工而通过一个同时的动作形成。

图2图示出用于应用本发明的加工的可选的接头设计方案。多个部件3是具有内通道2的焊接部1以形成重叠、对接、或重叠和对接接头的组合。

图3a显示出在探头的周表面的不同区域处形成螺纹的一个实施例。

图3b显示出肩部的表面上的涡卷的一个实施例。

图4a和4b显示出对在重叠的不相似的多个部件3之间的本发明方法的加工应用夹6和砧7的整体状态：图4a呈现出加工开始时的位置；而图4b呈现出加工过程中的状态，强调焊接部1和通道2以及布置在工具5的侧方处的可分离的外部碎片4。

图5a、5b、5c显示出将本发明的加工通过多个部件3之间的一个同时动作应用于焊接部1开放通道2的次序：图5a图示出重叠的多个部件3以连续堆叠次序沿非线性路径的整体放置；图5b图示出本发明方法的加工的应用；图5c显示出本发明方法的加工的最终状态，强调焊接部1和通道2沿组装后的多个部件3的复杂路径同时形成。

图6a和6b图示出在多个部件3之间的焊接部1和通道2可通过本发明工具5的加工来形成(具有或不具有气隙8)：图6a图示出在进行本发明的加工循环之后的气隙8；图6b显示出在本发明方法的加工之前在接头设计中建立的气隙8。

图7图示出应用本发明的加工以在两个重叠的部件AA5083-H111内通过一个动作同时形成通道和焊接部，其中所述部件具有8mm(在顶部)和5mm(在底部)的厚度。所应用的参数是行进速度(90mm/分钟)和旋转速度(300rpm)。

图8呈现出通过所述方法的施加于两个重叠部件3的相反地形成的两个螺旋的俯视图和截面图，强调：a)能够在初始大块部件中沿复杂自由路径以一个动作同时产生通道2和焊接部1：沿相反方向的各螺旋，即，从内向外(右)和从外向内(左)；b)碎片4可为可自分离的或者不可自分离的。

图9呈现出标准FSC探头的尖端的焊接探头轮廓。

具体实施方式

在下文中，本发明采用优选实施例的形式参照图1至6更详细描述。

在图1中显示出如在本发明中获得的至少两个部件的结构。至少两个部件的结构包括通过焊接部1和内部封闭通道2接合到一起的三个金属板，焊接部和通道由于应用于多个部件3的本发明的加工而在被加工区内通过一个同时动作形成。

图2图示出应用本发明的加工的多种不同的方式或设计。

a)重叠接头设计，其中相互重叠的三个部件3通过在所有三个部件3之间形成通道2和焊接部1而形成。图中的符号m和n表示部件3的数量。

b)对接接头设计，其中两个部件3焊接1以具有内部通道2且在它们之间形成对接接头。图中的符号m和n表示部件3的数量。

c)重叠和对接接头的组合的两个示例，其中部件3焊接1以具有内部通道2且在它们之间形成对接接头。图中的符号m和n表示部件3的数量。

在图4a和4b中图示出非消耗性工具5，用于固态形成通过摩擦搅拌而被接合的通道2和焊接部1。工具5包括肩部5b和探头5a。在工具5的此特定实施例中，肩部5b和探头5a被设置为分立的子部件，它们被组装到一起用于摩擦搅拌焊接加工，通过将探头5a的非锻造端插入穿过肩部5b中的中心空间15并将其固定到工具5而实现。所述工具设置有用于使肩部5b和探头5a组件一起围绕它们的共有旋转轴线而旋转的机构(未示出)。所述工具进一步设置有用于当工具围绕其旋转轴线(未示出)旋转时垂直于拟加工材料部件而推入(即，迫压)探头5a和肩部5b组件的机构。在工具5的可替代实施例中，探头5a和肩部5b可由一个单一集成部件制成。

如图3b中所示，肩部5b具有面向拟加工材料3的表面12，表面12设置有被成形以对于拟加工材料3具有向内作用的第一涡卷14、和被成形以对于拟加工材料3具有向外作用的第二涡卷13。探头5a具有尖端11，尖端11可以是平坦的、凸形的、或凹形的、或者上述形状的组合。如图3a中所示，探头5a还具有周表面，周表面具有第一区10以及第二区9，第一区10止于探头5a的尖端11之处或其近处并设置有第一螺纹10a对于拟加工材料3具有下推作用，第二区9设置有第二螺纹9a对于拟加工材料3具有上推作用，由此能够以一个单一同时动作在至少两个材料部件3之间形成通道2和焊接部1。

本发明的加工是固态的加工，其应用以接合或焊接1多个部件3，在被加工区内具有通道2。本发明加工的应用通过以下方式进行：推入旋转式刚性非消耗性工具5(其具有一起旋转的肩部5b和探头5a)，其中二者均能将上推和下推效果同时施加于至少两个拟加工部件3的区域中。工具5具有的探头5a和肩部5b可通过组装到一起的分立的各子部件制成，或者通过仅一个部分制成。

旋转且推入的工具5沿路径行进，可手动或自动进行，由此同时形成通道2和焊接部1。至少两个部件被强力夹紧6抵靠砧7。推入和旋转的探头5将对至少两个部件3施加组合的上推和下推作用，相应地形成通道和焊接部。同样推入和旋转的肩部5b将施加组合的向内和向外作用，从而相应地封闭通道顶部和形成外部可分离碎片4。通道2被搅拌区围绕，这借助于至少两个部件3，其中，固态接合机制已经启动，以实现至少两个部件3的焊接1。流出到工具范围之外的所形成的碎片4可被去除。

在图4a和4b中图示出对在重叠的不相似的多个部件3之间的本发明方法的加工应用夹6和砧7的整体状态：图4a显示出加工开始时的位置；而图4b显示出加工过程中的状态，其中强调焊接部1和通道2以及布置在工具5的侧方处的可分离的外部碎片4。

本发明的加工不需要工具5具有任何倾斜角度，从而能够使本发明的加工的应用通过复杂路径形成通道2。多个部件3可具有不同尺寸和材料。此外，沿被加工路径的多个部件中的任一个通过一个部件制成或者通过多件子部件制成。多个部件的量不受限制，因而可在两个或更多个部件之间形成焊接部1和通道2。多个部件3之间的接头可被设计为多体构造，其具有或不具有气隙8。用于本发明的加工的多体构造是重叠接头、对接接头、或者重叠和对接接头的组合。通过改变流出到被加工区的范围外的碎片4的量，可以保持被加工区的顶表面(通过增强结构)或者使得处于其初始位置。原理在于：流出到被加工范围之外的碎片材料的体积等于或少于通道的容积。至少两个部件和子部件3通过致密的或大块的材料制成，在应用该加工之前不具有焊接部或预形状，包括但不限于：槽、开放的或封闭的通道、或者现存的凹部。

在图5a、5b、5b中，显示出将本发明的加工通过多个部件3之间的一个同时动作应用于焊接部1开放通道2的次序，其可为连续的或者按照逐件次序实现：图5a显示出重叠的至少两个部件3以连续堆叠次序沿非线性路径的整体放置；图5b显示出本发明方法的加工的应用；图5c图示出本发明方法的加工的最终状态，其中强调焊接部1和通道2沿组装后的至少两个部件3的复杂路径同时形成。

在图6a和6b中显示出：在多个部件3之间的焊接部1和通道2可通过本发明的工具5的加工形成(具有或不具有气隙8)：图6a显示出在进行本发明方法循环的加工之后的气隙8；图6b显示出在进行本发明的加工之前在接头设计中建立的气隙8。

对于工具设计的进一步的发现和细节

已发现，工具设计与适当加工参数相结合，是FSP技术的关键方案。工具设计有助于形成摩擦加热和促进在操作过程中观察到的明显的粘塑化材料流。不适当的工具设计将无法形成封闭和连续的通道，而无论加工参数如何。不过，具有完美几何形状的工具若按照不正确的加工参数也将无法形成封闭和连续的通道。用于本发明加工的参数包括但不限于工具旋转速度和工具行进速度。工具旋转速度在200至1000rpm的范围，工具行进速度在30至500mm/分钟的范围。

探头设计

探头设计在本发明的加工过程中是通道形成和多个部件接合的关键。探头负责在第三体区域中摩擦加热、剪切变形和混合粘塑化材料。探头几何形状有助于从被加工区到肩部的材料流并有助于在焊接区中形成混合和锻造效果。

本发明的探头被特别设计以用作通道形成探头，同时还执行必要焊接功能。这通过将焊接探头轮廓应用于标准FSC探头的尖端实现，如图9中所示。探头的直径是10mm。焊接尖端使用30°锥度的左旋螺纹(LHT)形成，其螺距为探头直径的1/8且其螺纹深度为螺纹螺距的1/4。焊接尖端的长度从探头直径的1/3至探头直径的1/2变化。通道形成主体使用右旋螺纹(RHT)形成，其螺距为探头直径的0.4倍且其螺纹深度为螺纹螺距的1/4。当顺时针旋转(CW)时，HFSC探头在通道形成过程中包括两种不同材料流特征。第一，焊接尖端形成向下粘塑化材料流，同时还形成旋转混合流将两个部件有效结合到一起。第二，通道形成主体引发向上粘塑化材料流，流出加工区至肩部。

三种不同的探头模型通过将焊接尖端的长度调节至3mm、4mm或5mm的长度而形成和制造。改变焊接尖端的长度，在涉及探头突出长度的工具设定上和通道形成过程中的工具性能上提供不同的灵活性水平。过小的焊接尖端将导致不适当的焊接块和低的工具设定灵活性。过大的焊接尖端将导致操作过程中对工具的过大弯曲力和过大尺寸的焊接块。不过，较大的焊接尖端提供更好的工具设定灵活性。

探头由AISI H13工具钢制成。这样选择用于工具制造是因为机械性能和钢等级属性。H13具有针对热冲击和热疲劳的高抗性、良好的高位强度、优良的韧性和延展性、良好的机加工性、优良的淬透性能和在硬化过程中良好的尺度稳定性[10]。所有探头被热加工至50HRC用于优化耐磨性能。

所有HFSC探头成功在铝板中形成内部封闭通道和焊接部。为了理解每个探头在性能上的不同，检测焊接块(图7)。所有三个探头形成无缺陷焊接部。观察图7a，显现出界面区上方的焊接块的有效厚度(x-图3.9)相当小，并被测量为0.73mm厚。对于4mm(图7b)和5mm(图7c)探头而言，界面区上方的焊接块的有效厚度x分别为2.05mm和1.17mm。这显示出4mm探头比其它探头形成更强的接合部。不过，对于3mm和5mm探头而言，界面区上方的焊接块的厚度可通过减小探头推入深度而增大。4mm探头由于焊接块大被确定为优越探头，这允许比3mm探头更大的可调性和灵活性，同时与5mm探头相比还减小在通道形成操作过程中作用于探头上的力的大小。

除了形成稳定焊接部以外，所有三个探头也形成不稳定焊接部。观察到的主要缺陷现象是在界面区处的焊接部的前行侧(AS)上的“钩效应”(图4.4)。这种“钩效应”的形成是因为材料混合不充分所致，其中界面区为被适当搅拌和破坏。结果，界面区通过逆流被上推到通道底部。由于缺乏混合，因而“钩效应”中的界面区无法适当结合，导致接头薄弱，易于渗漏和失效。

为了消除这种“钩效应”现象，考虑新的探头设计。对于这种设计，基于先前关于三个HFSC探头产生的焊接质量所表现的发现结果，采用4mm焊接尖端。新的设计使焊接尖端的总直径减小2mm以在通道形成区部与探头焊接尖端之间的界面处包含1mm肩部。肩部被设计为增大探头对于焊接部的锻造效应，以减少材料逆流，从而有效消除抬升效应。肩部也可被设计为由于HFSC探头所形成的通道底部倾斜。

基于通道几何形状特征、通道稳定性、有效焊接厚度尺寸、和作用于探头的力，优化的探头设计被发现是4mm的HFSC探头。

肩部设计

肩部几何形状对于在HFSC过程中的通道形成和碎片去除是关键的。肩部负责向下锻造由探头提取的粘塑化材料以形成通道顶板的通道顶部以及去除特定量的分离碎片的形式的材料。通过形成分离碎片，被加工表面保持在金属部件的初始水平。

已经存在的肩部(具有24mm外直径)被选择和用作对发展所有新肩部的控制，以具有基准点用于质量、性能和设计准则。所有发展的肩部所具备的外直径是探头直径的2.2倍。肩部名称可在表1中理解。所有肩部通过相同的AISI H13钢制成并经历与探头相同的热加工。为了评估肩部对于通道的性能，建立多个评价准则。

对于肩部性能的评价

1.通道是封闭的和连续的。

2.碎片被去除，被加工表面保持在初始水平。

3.通道截面在形状和尺寸上稳定。

4.通道质量在表面粗糙度方面恒定且稳定。

表1：

+	正涡卷
		-	负槽
#	涡卷或槽的数量
		IN	使材料朝向探头运动
OUT	使材料远离探头运动
		#	涡卷或槽从探头向肩部外侧的角度
B	倾斜边缘
		#	倾斜角度

制造和检测多个不同的肩部。肩部(+1OUT300/+1IN90)被选择为优化的肩部，用于进一步的检测和研发。在试图操控通道尺寸时，通过将涡卷高度从1mm改变至1.5mm和2mm而形成两个可替代肩部。在理论上，具有较大高度的涡卷将允许更多材料从被加工区流出到肩部空腔中。这种增大的材料流将以分离碎片的形式从被加工区去除。因此，所述通道将会大于由较短涡卷所形成的通道。

表2：根据评价准则对肩部性能的评定

大部分的涡卷是平坦的，具有从开始位置向外辐射的肋。肋的宽度和高度分别是肩部直径的0.068和0.045倍。涡卷的末端和始端的曲率等于涡卷的宽度。涡卷的平坦区域形成一致、恒定和均匀的锻造力，而且其在单次旋转整个过程中保持较大的接触时间。涡卷宽度从开始位置沿弧形路径增大，直到旋转90°之后与探头孔接触。展开区部然后渐缩至肩部表面，而肋继续向外辐射总共300°。肋在280°之后接触肩部的外边缘。肋在其与平坦区域之间具有0.5mm的缘条。位于涡卷开始处的凹角被设计以引起向内材料流回到探头，从而减小被提取到肩部周边的材料的速度和量。大的涡卷旋转角度增大涡卷的剪切边缘，同时允许向外材料流。增大的涡卷剪切边缘促进碎片从被加工表面分离。涡卷与肩部外边缘的接触将被加工材料压出被加工区之外，从而减小材料沉积到被加工表面上的可能性。

观察到的是，具有1mm涡卷的初始肩部形成稳定通道，没有碎片沉积，留下处于初始水平的被加工表面。具有1.5mm和2mm高涡卷的肩部无法形成封闭且连续的通道。通过这些肩部形成的碎片结构大且连续。大多数碎片整体上被去除，少量的螺线缕粘接到被加工表面。1.5mm和2mm的涡卷不能形成封闭和连续的通道，这是因为，过度材料从被加工区被提取为碎片。被提取的过度材料由于沿涡卷的凹陷的容积增大所致，从而允许更多材料被加工和移除，而非锻造回到通道顶板中。

肩部(+1OUT300/+1IN90)中的材料堆积在通道形成操作过程中是一致的。凹角特征在通道形成过程中始终填充材料，使得在此区域中缺乏到探头的流。不过，铝的累积具有的相反性能是：当材料被推到肩部周边时减慢被提取材料。这种现象由于铝的材料性能所致。当铝在粘塑化状态下被加工时，铝希望粘接到铝。通过凹角特征累积铝，所有未来的被提取材料有效粘接到这种铝储部，从而减慢被提取材料流。这种材料减慢促进和增大涡卷的锻造效果，形成封闭和连续的通道结构。

基于发明人的发现而确定：优化的肩部几何形状是肩部(+1OUT300/+1IN90)。通过功能有效化和优化的肩部设计，所有进一步研究使用肩部(+1OUT300/+1IN90)进行。在图8中可见，肩部(+1OUT300/+1IN90)成功以自由路径(螺旋线)形成稳定通道。

引用文献：

[1]W.M.Thomas，E.D.Nicholas，J.C.Needham，M.G.Murch，P.Temple-Smith，C.J.Dawes，专利US 5460317：摩擦焊接.24/10/1995.

[2]R.S.Mishra，专利US 6923362：金属部件中的集成通道及其制造.02/08/2005.

[3]N.Balasubramanian，R.S.Mishra，K.Krishnamurthy(2009)摩擦搅拌形成通道：通道的表征.材料加工技术期刊(209卷)，3696-3704页.

[4]P.Vilaca，C.Vidal.专利PT 105628：在不改变被加工表面的初始位置的情况下对致密部件中的开放内部连续通道的加工和相应的模块式可调工具.15/04/2013.

[5]C.Vidal(2014)新制造技术的发展和机械表征：摩擦搅拌形成通道.葡萄牙里斯本大学高等泰克尼科学院机械工程博士论文.

[6]P.Vilaca，J.Gandra，C.Vidal(2012)基于线性摩擦的铝合金加工技术：表面加工、搅拌焊接和搅拌通道形成.铝合金制造和应用新趋势，第7章，InTech.159-197页.

[7]A.Rashidi，A.Mostafapour，S.Salahi，V.Rezazadeh(2013)改进的摩擦搅拌通道形成：用于制造摩擦搅拌通道的新技术，应用机械和材料(卷302)，365-370页.

[8]A.Rashidi，A.Mostafapour(2015)工具针几何形状和工具运动路径在改进摩擦搅拌通道形成技术中对通道形成机制的影响.先进制造技术期刊(卷80)，1087-1096页.

[9]R.Davis，专利US 8783366：具有子表面摩擦搅拌焊接通道的制造件.22/07/2014.

[10}Uddeholm，″Uddeholm，″09，2013.[在线].可获得：

http：//www.uddeholm.com/files/PB_orvar_supreme_english.pdf.[访问：16，12，2016].

术语清单：

1-焊接部

2-通道

3-部件

4-碎片(可自分离的或不可自分离的)

5-非消耗性工具

5a-探头

5b-肩部

6-夹紧系统

7-砧

8-被加工之前的部件(3)之间的气隙

9-探头顶区

9a-具有上推作用的螺纹轮廓

10-探头底区

10a-具有下推作用的螺纹轮廓

11-探头的尖端表面

12-肩部的基表面

13-涡卷系统的具有向外作用轮廓的部分

14-涡卷系统的具有向内作用轮廓的部分

15-用于探头(5a)的中心空间

Claims (9)

1.一种用于固态形成通道和焊接接头的方法，其特征在于，

通过将旋转式的非消耗性工具(5)推入到拟加工的至少两个部件(3)内同时形成所述通道(2)和焊接部(1)，所述非消耗性工具(5)具有肩部(5b)和探头(5a)，其中所述肩部(5b)和所述探头(5a)均能够将固态接合和材料提取机制同时施加于所述拟加工的至少两个部件(3)的被加工区内的材料中，其中在至少两个部件(3)之间的所述通道(2)和所述焊接部(1)通过一个单一的同时的动作形成，

所述探头(5a)的底区(10)下推以搅拌所述至少两个部件(3)的所述材料并启动所述被加工区内的固态接合机制，由此形成焊接部(1)，

所述探头(5a)的顶区(9)上推来自所述被加工区的材料的一部分至所述肩部(5b)的方向，其中，涡卷系统的具有向外作用轮廓(13)的部分使所述材料流出所述被加工区以形成外部碎片(4)，所述涡卷系统的具有向内作用轮廓的另一部分产生用于所述通道(2)的顶板以封闭所述通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述工具(5)的所述肩部(5b)与被加工的所述至少两个部件(3)的最上的表面之间无间隙地旋转所述非消耗性工具(5)，使得所述肩部(5b)和所述探头(5a)的同步同时作用会启动在所述至少两个部件之间的固态接合机制并将被加工的所述至少两个部件(3)的一部分材料提取为碎片，从所述部件(3)提取出的材料的量具有与内部封闭通道(2)形式的留空容积相对应的体积，所述通道(2)和所述焊接部(1)通过一个单一动作同时形成，所述碎片是能够自分离的或不能自分离的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少两个部件(3)在应用所述方法之前，至少沿被加工区是充分大块的或致密的，不存在焊接部或预形状。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少两个部件(3)重叠、邻接、或者采取同时包括相互重叠和邻接的布置。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

多个所述部件之间的所述布置在所述加工之前是紧密的或包括气隙。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少两个部件(3)由相同或不同材料制成，所述材料选自金属。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少两个部件具有相似或不相似的尺度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在包括至少两个部件(3)的大块部件内沿任意自由路径方向同时形成所述通道(2)和所述焊接部(1)。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在所述至少两个部件(3)内沿被加工的自由路径形成的所述通道的尺度是恒定的、连续可变的、或为恒定和可变区的组合。

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