CN113165105A - 用于摩擦搅拌焊接的工具组件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于摩擦搅拌焊接的工具组件。该工具组件包括各自具有旋转轴线的工具保持器和压轮。工具保持器包括工具柱，压轮包括销。压轮联接到工具柱上。该工具组件适于使得在摩擦搅拌焊接期间，作为工具保持器的旋转轴线与销的旋转轴线之间的跳动量而测量的工具保持器的跳动量，不超过10μm。

Description

用于摩擦搅拌焊接的工具组件

技术领域

本发明涉及摩擦搅拌焊接(FSW)领域，尤其涉及一种FSW工具组件，该组件在高熔点材料(如铁基合金)的FSW过程中牢固地保持超级磨料压轮，并且其中压轮优选是可替换的。

背景技术

在金属组件的制造中，特别是最通常由钢制成的结构金属组件的制造中，经常需要将两种材料联结在一起。这方面有许多选项，包括焊接、铜焊、铆接等，但是这些过程中每一种都有它的优点和缺点。

两个关键问题是：

i)联结是连续的(如连续焊接)还是离散的(如，铆接)？离散联结点没有充分利用沿着联结线的材料强度，因此最终，结构将比“完全”连续焊接更重。

ii)如果是连续联结，联结的性质是匹配还是超过周围材料的性质，还是它们形成一个薄弱点？

对于大型工程结构，最常见的联结形式是使用焊接，最常见的类型是使用填充棒的气体保护电弧焊，尽管存在许多焊接变型。然而，它们都有以下共同特征：

a)接头熔融持续较短时间，需要向周围金属和接头本身注入大量热量；和

b)由于总热量的原因，在接头处从熔融开始冷却速度较慢，这可能导致该区域出现大量晶粒生长和相偏析。

遗憾的是，在一些钢中，例如在高强度高碳钢中，常规焊接并不总是可行的，并且在常规焊接中出现的晶粒生长和相偏析可能使它们变弱并易于失效，因此焊接通常是结构中最弱的部分。

在20世纪90年代早期，焊接研究所(The Welding Institute，TWI)开发了一种称为“摩擦搅拌焊接”(FSW)的各种形式的电弧焊的替代方案，这种技术现在已经在低熔点金属和合金如铝及其合金中得到了完善，其中用于该过程的合适的机床可以由常规的工具钢制造。FSW的优点是，焊接在明显低于熔点下发生，加热更加局部化，因此焊接后的冷却速度更快，减少了生长和相偏析。结果是焊接可能像母体材料一样坚固和环境稳定。

一直希望将这些益处转化到联结钢，但钢中的FSW对所使用的工具提出了大量要求。特别地，典型的焊接温度可以是大约1100℃，施加到嵌入在固态但塑性流动的钢工件中的工具的力非常高，并且环境是高度磨蚀性和化学侵蚀性的。

目前，市场上用于钢的FSW工具供应有限，但总体而言，这些工具的采用水平较低。FSW的工具材料因应用细节而异，但通常包括烧结在钨铼(W-Re)粘结剂材料中的多晶立方氮化硼(PCBN)砂粒，W-Re粘结剂材料提供韧性，PCBN砂粒提供耐磨蚀性。

低采用水平似乎是因为工具性能的不可靠性，市场报告建议最低可接受的工具寿命为30米焊接，但报告称这不是常规实现的。尽管使用了这些高度工程化的材料——W-Re和PCBN，但两种失效模式是磨损和断裂，磨损使工具上影响焊接性能的关键形状特征丧失，断裂通常导致工具的中心“搅拌销”完全折断。

用于制造工具的PCBN/W-Re烧结“压轮”(下面将详细描述)的精确组成和微观结构显然是断裂导致失效的一个相关因素。在添加更多W-Re(其增加成本和韧性)和添加更多PCBN(其增加耐磨性但增加断裂风险)之间需要权衡。有人可能会说，压轮的耐磨损性质目前受到对W-Re高度依赖性的约束，如果找到另一种解决工具断裂问题的方案，可能会减轻这种约束。

PCBN，作为一种砂粒或与一系列粘结剂(包括W-Re)烧结的形式，是一系列被称为“超级磨料”的材料之一。虽然PCBN/W-Re目前是常规超级磨料中性能最好的，但本说明书后面部分所描述的发明并不限于PCBN，例如，预期出现具有合适韧性和耐磨蚀性质的高熵合金将作为粘结剂使用，或者在某些应用中独立使用。在本说明书的其余部分，术语压轮用于成形为FSW工具组件的端部元件的部件，并且与要被焊接的材料直接接触。典型地，它在与被焊接的金属接触的面上成形，以形成肩部和搅拌销，通常在表面内切割有反向螺旋，使得在旋转期间，它将金属拉向销，并将其向下推入由销形成的孔中。“超级磨料压轮”是一种包括超级磨料砂粒或包括高熵合金的压轮。

典型地，超级磨料压轮由金属套环保持在柱上，柱插入到铣削或专用FSW机器的常规夹头或键接工具架中。通常，在下文中被称为“工具柱”的柱由碳化钨制成，然而也可以使用其它材料，并且在本说明书后面描述的本发明中可以想到这些材料。

工具寿命方面的另一个关键因素，特别是与开裂有关的因素，是工具保持器的设计。常规的工具保持器包括最初为圆形的碳化钨(W-C)轴，加工成具有多个刻面，通常为八个刻面，然后在其上加工，抵接直至成形的超级磨料压轮，成形的超级磨料压轮上也具有在其上加工而成的多个刻面。跨抵接的联结部收缩配合有金属套环，金属套环具有匹配的八刻面内孔。其概念是，已经收缩配合到两个部件上的套环，将两个部件机械锁定在一起，当工具使用时，多个刻面提供额外的扭矩传递。

虽然使用条件有很大不同，但对于适用于焊接6mm厚的相互抵接的板的6mm长销，力可以是：

轴向力 80kN (将工具压入要被焊接的金属中)

横向力 20kN (沿着焊接线横移工具)

扭矩 400Nm(施加用于维持工具旋转的扭矩)

现在有证据表明，问题出在使用收缩配合的套环。超级磨料压轮的热膨胀系数(CTE)通常较低，例如W-Re/PCBN压轮的热膨胀系数约为4.5ppm/℃，与W-C的热膨胀系数相似，而用于热收缩环的典型金属的CTE系数约为11ppm/℃。热收缩作为一个一般过程，通常涉及将待收缩配合的部件加热至约600℃，之后将部件配合到位以进行收缩。然而，在焊接过程中，操作温度约为1100℃，收缩配合的套环往往会再次膨胀，远远超过超级磨料压轮，使套环对于超级磨料压轮形成松动配合。套环内部和压轮外部的刻面形状确保压轮旋转，但现在压轮也可以在套环中稍微横向移动，导致通常所说的“跳动”——压轮以销稍微偏离旋转轴线的状态进行旋转。工具上的任何这种跳动都会导致销上更高的循环力，因为它在塑性流动的钢中摆动，导致更严重的疲劳和裂纹扩展，并最终失效。

跳动是机械加工应用中的常见问题，包括使用中机器和工具保持器/工具的跳动。在许多情况下，FSW可以由标准铣床完成，或者由特别地为FSW销售的基本上经过修改的铣床设计来完成。在整个说明书中，机器将被称为FSW机器，并且这将指适合FSW的任何机器。

一般来说，FSW操作包括许多步骤，例如：

a)插入步骤，从工具与工件接触的时间点到销完全嵌入直到热的和软化的工件中肩部的时间点，

b)当工具沿(一个或更多个)待联结工件之间的线横向移动时，工具横移，以及

c)当工具被提升或横移出工件时的提取步骤。

工具横移是主要形成焊接的阶段，通常在恒定条件下进行；典型地，这些条件是旋转速度、插陷深度、横移速度等，尽管在某些情况下速度可以由施加的功率代替，深度由施加的力代替，给出类似的结果，但是允许对局部工件变化做出响应。在任何情况下，一旦工具横移开始，这些条件在横移持续期间基本保持不变，直到接近焊接结束。这是贯穿本文被称为“稳态操作”的条件。

避免工具保持器内热膨胀问题的一个表面上显而易见的解决方案是将超级磨料压轮制造得如此之大，以至于它可以直接装配到标准的FSW机器中。这种解决方案不切实际，原因有二：

a)不能获得能够承受用于烧结的非常高的压力并且适于制造这种大型超级磨料压轮的压机，以及

b)超级磨料压轮(填料+粘合剂)的成本将非常昂贵。

因此，问题以其最简单形式本质上是如何将超级磨料压轮适当地联结到工具柱上，然后通过某种方式将工具柱连接到标准FSW机器上，同时确保在高熔点金属如钢的FSW操作过程中，对使用中工具保持器跳动的贡献最小化的问题。

本发明的目的是解决上述问题。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种用于摩擦搅拌焊接高熔点金属和合金的工具组件，该工具组件包括工具保持器和超级磨料压轮，工具保持器和压轮各自具有旋转轴线，工具保持器包括工具柱，压轮包括销，压轮联接到工具柱，其中工具组件适于使得在摩擦搅拌焊接期间，作为工具保持器旋转轴线与销旋转轴线之间的跳动量而测量的工具保持器的跳动量，不超过10μm。

通过解决工具组件设计的两个关键方面，将跳动量降至最低：1)材料选择，使得在可行的情况下，将结构部件之间的CTE失配降至最低；以及2)结构设计，例如使用锥形配件。

工具组件可以通过以下方式中的一种或两种方式进行调适：

1)压轮通过一个或更多个锥形接头布置连接到工具保持器，使得FSW过程的轴向力将锥形部件推到一起，吸收接头中由CTE失配引起的任何松弛。

2)构成工具组件一部分(其限定为在使用期间达到400℃或更高温度并且CTE超过10ppm/℃的工具区域)的任何结构元件，具有不超过3毫米的最小线性尺寸(在使用期间)。最小线性尺寸优选不超过2.0毫米、1.5毫米、1.0毫米或0.5毫米。

高熔点金属或合金被限定为以下中一种或更多种情况适用的金属或合金：熔点超过1200℃，或在FSW操作过程中邻近销的工件温度超过900℃。

为了清楚起见，在FSW期间发生的上述情况被认为是在压轮温度或邻近销的工件温度已经达到稳态操作温度的10％以内时发生的。可选地，这可以在稳态操作温度的5％、3％、1％之内。

前述“形成工具组件的一部分的结构元件”被限定为在操作中实现最低温度并具有最低CTE的区域，并且是工具保持器和/或压轮的连续区域；此外，它可以包括多于一种材料或子元素。限定所述结构元件的CTE可替代地为9ppm/℃、8ppm/℃、7ppm/℃、或6ppm/℃，并且为了限定该区域而达到的温度可以是300℃、200℃或100℃。该区域的最小线性尺寸(“厚度”)可以是圆柱体或中空圆锥体的壁厚，但也可以是与工具保持器纵向轴线正交和同轴的层的厚度。

从属权利要求2至27提供了本发明这一方面的其他可选特征。

存在的任何锥形接头布置可具有螺钉或其它锁定装置，其设计为确保工具组件在从工件热提取期间保持在一起，但是当组件变热时，不会干扰(一个或更多个)锥形接头的压缩以保持紧密配合。

在本发明的另一方面，提供了一种从工具组件移除压轮的方法，包括以下步骤：

a)向压轮内钻孔以形成盲钻孔；

b)将提取器销插入钻孔中；

c)将提取器销与压轮接合；

d)从联结套环上移除压轮。

将提取器销与压轮接合的步骤可以包括使用螺纹或扩张倒钩来实现接合。

该方法可以进一步包括在步骤a)之前加热联结套环的步骤。

附图说明

现在将参照附图，仅以举例的方式更具体地描述本发明，附图中：

图1示出了组装的现有技术工具组件的示意性侧视图，该现有技术工具组件包括工具柱、压轮和联结套环；

图2示出了图1的工具柱的示意性侧视图；

图3示出了图2的工具柱的示意性端视图；

图4示出了图1的联结套环的示意性侧视图；

图5示出了图4的联结套环的示意性端视图；

图6示出了图1的压轮的示意性侧视图；

图7示出了图6的压轮的示意性端视图；

图8示出了本发明的一个实施例中的组装的工具组件的示意性侧视图；

图9示出了图8的工具柱的示意性前视图；

图10示出了图9的工具柱的示意性端视图；

图11示出了图8的联结套环的示意性侧视图；

图12示出了图11的联结套环的示意性端视图；

图13示出了图8的压轮的示意性侧视图；

图14示出了图13的压轮的示意性端视图；

图15示出了如何相对于图8的压轮而测量角度θ₁；

图16示出了如何相对于图8的联结套环而测量角度θ₂和θ₃；

图17示出了如何相对于图8的工具柱而测量角度θ₄；

图18示出了联结套环的两个替代实施例的示意性端视图；

图19表示图8的压轮的放大部分及其各个显著的外角α₁和α₂；

图20表示了图8的联结套环的放大部分及其各显著的内角β₁和β₂；

图21是表示各种合金的平均CTE的曲线图；

图22是表示各种合金抗拉强度的曲线图；而

图23是表示各种合金的蠕变断裂性质的曲线图。

在附图中，相似的零件被赋予相似的附图标记。

具体实施方式

首先参照图1至图7，现有技术的工具组件总体上用10表示。工具组件具有中心纵向轴线11。该工具组件包括细长形的工具柱12、压轮14和联结套环16，联结套环16安装在工具柱12和压轮14周围，以将工具柱12和压轮14固定成轴向对准。

在理想的FSW条件下，工具组件10绕同一中心纵向轴线11旋转。然而，当跳动发生时，压轮14的旋转轴线变得移位，并且与工具柱12的旋转轴线不对准。这种未对准通常被理解为是线性测量的，例如，围绕中心纵向轴线11的振荡幅度。

工具柱12包括联合的第一主体部分12a和第二主体部分12b，第一主体部分12a最靠近压轮14。第一主体部分12a在轴向(即，横向)截面上是八边形的。第二主体部分12b的轴向截面是圆形的。工具柱12沿其长度部分地呈径向阶梯状。

金属联结套环16在外部是圆柱形的，并且具有沿其长度轴向延伸的中心内孔18，如图4和5最佳地示出。内孔18的横向截面是八边形的，以便能够与工具柱12的第一主体部分12a联接。

压轮14的横向截面为八边形。如图1所示，压轮14的大小与工具柱12的第一主体部分12a的大小相匹配。在压轮14的远离工具柱12的一个相对端，压轮14成形为搅拌销20。压轮径向向内呈锥形(在图7中用同心圆表示)至顶端，在使用中顶端与正被焊接的部件接触。

压轮14和工具柱12通过间隙22轴向分开，并通过联结套环16相对于彼此固定就位，联结套环16收缩配合在压轮14和工具柱12上。常规上，压轮14和工具柱12彼此抵接，并且机械锁定在适当的位置，如先前所提到的。

现在转到图8至14，根据本发明的工具组件的第一实施例总体上以100表示。工具组件包括工具柱102、超级磨料压轮104和联结套环106。联结套环106收缩配合在工具柱102和超级磨料压轮104上。

工具柱102包括联合的第一主体部分102a和第二主体部分102b，如图9最佳地示出，第一主体部分102a最靠近压轮104。第一主体部分102a在轴向(即，横向)截面中为八边形。第一主体部分102a径向向内朝向压轮104呈锥形。换句话说，它是一个截顶的金字塔形，具有一个八边形基部和若干个平坦的金字塔侧部。第二主体部分102b的轴向截面是圆形的，并且其直径沿其长度是恒定的。在第一主体部分102a和第二主体部分102b的相交处，工具柱102径向向内呈阶梯状。

如图11和12所示，联结套环106在外部是圆柱形的，并具有沿其长度轴向延伸的中心内孔108。内孔108的轴向截面是八边形的。然而，内孔的大小沿工具柱102的长度不一致。内孔108以沙漏的方式从联结套环106的一端110径向向内呈锥形，之后在中间点112处或附近弯曲，以径向向外呈锥形到联结套环106的另一端114。这样，内孔被分成两个邻接的腔：用于接纳压轮104的第一内孔腔108a和用于接纳工具柱102的第二内孔腔108b。

压轮104的横向截面为八边形。如图1所示，压轮104的大小与工具柱102的第一主体部分102a的大小相匹配。在压轮104的远离工具柱102的一个相对端，压轮104成形为搅拌销20。压轮104以已知的方式径向向内呈锥形(在图14中由同心圆表示)至顶端。

压轮104和工具柱102通过间隙22轴向分开，并通过联结套环106相对于彼此固定就位。

本发明的一个特征是，带刻面的超级磨料压轮104具有微小的锥度(锥角θ1-见图15)，联结套环106中的相对应内孔108具有锥形形式(锥角θ2-见图16)的刻面，使得随着联结套环106膨胀，超级磨料压轮104在施加的轴向载荷下被进一步推入联结套环106中，从而与销116的轴线保持紧密配合，销116的轴线平行于旋转轴线11并与旋转轴线11成一直线。

联结套环106可以具有从另一端进入的第二组稍微锥形的刻面(锥角θ3-参见图16)，其与W-C轴102上的类似的一组锥形刻面(锥角θ4-参见图17)相配合。这种设计使得两个锥形部都允许部件保持紧密配合，并且为此目的，当组装时，在W-C轴102的锥形端与超级磨料压轮104的(较小的)锥形端之间保持间隙22，以确保两者都能够自由地进一步移动到联结套环106中以在锥形部中变紧。

工具柱102、压轮104和/或联结套环106中的刻面的布置优选地是旋转周期性的，刻面的数量可以是四个至八个(包括端点值四个和八个)范围内的任意数量，并且优选地是六个。例如，图18中的左边压轮104具有六个刻面X1，而图18中的右边压轮具有七个刻面X1。

刻面X1不一定在它们的边缘处联结，如图19所示；在任何给定的截面上，在各个刻面X1之间可以有圆柱形或圆锥形表面X2的一小区段暴露以形成圆形区段。作为一般规则，该圆形区段X2的角度比刻面X1的角度小得多，并且优选地，在那里简单地消除刻面X1之间的拐角，并且增进各个元件102、104的坚固性。对于插入的部件(压轮104、工具柱106)上的外刻面X1，圆形部段X2的角度必须等于或大于联结套环106的类似内刻面Y1、Y2的角度(见图20)，以确保各个部件之间的良好配合。

适合应用的锥角的最小值和最大值由传递足够扭矩的需要来设定，这提供了最小值2°和最大值15°。

锥形部的精确锥角对于确定各个锥形部自锁的程度以及它们能够被释放的容易程度是很重要的。两个配对的锥形表面通常具有相同或相似的锥角，即锥角θ1与锥角θ2相同或相似，同样锥角θ3与锥角θ4相同或相似，但是取决于所使用的设计细节，锥角θ1可能与锥角θ3显著不同。

锥角通常被选择成使得组件100在正常的FSW操作条件下自锁。也就是说，当锥形部处于充分的纵向压缩下，并且具有足够的空隙来移动时，联结套环106膨胀离开的任何趋势通过锥形部的进一步机械插入而减轻。与大多数陶瓷和脆性材料一样，超级磨料和烧结的超级磨料在压缩状态下通常是良好的，因此只要锥形部设计为合理均匀地分散压缩载荷(例如，锥角θ1与锥角θ2相同或相似)，那么工具冷却后所得到的压轮和W-C柱的高压缩不是问题。

因此，锥形部的角度可以在更常规的应用中通常认为自锁的范围内，例如<7°，或者由于超级磨料复合材料的相对较高的表面粗糙度，自锁可以被支持到稍大的角度，高至10°。因此，锥角θ1、θ2的范围通常为2°-15°，更典型地为5°-10°，更典型地为6°-8°。

相反，工具柱102的锥角可以更小，因为通常不打算拆卸组件的这一部分。因此，锥角θ3、θ4的范围通常为2°–15°，更典型地为3°–8°，更典型地为4°–7°。

本发明的另一个特征是能够重复使用工具保持器(即，工具柱102+联结套环106)并替换超级磨料压轮104，从而降低工具的总成本。所谓可重复使用，我们指的是工具保持器可以被用于不同的超级磨料盘104超过一次，通常是3-5次或更多次。这对于现有技术的工具保持器设计是不可能的，原因有两个：i)工具保持器并未被设计成用于压轮14移除，是侧部平行的，以及ii)如果压轮14在操作温度下没有被紧紧地夹紧，联结套环16总是会由于压轮14移动而受到损坏。工具保持器中压轮104的移除和替换不一定必须是适合最终用户的操作，只要它可以在工具供应链中的某个地方完成即可。

为了便于压轮104移除，可以采用许多选项。例如，联结套环106可以设置有两个进入孔口，通常对称地位于联结套环106的相对两侧，这允许使用楔形插件或类似物来把压轮104推出。替代地，工具柱102可以具有沿其长度延伸的中心孔口，并且可以顺着该孔使用顶杆。第三种替代方案是破坏性地移除压轮104，方法是在压轮104中钻孔并插入提取器销，该提取器销使用螺纹或扩展倒钩或类似方式与压轮104结合。所选择的精确设计可能取决于所需工具性能的其他方面，以及提取过程中使用的加热类型。移除压轮104的要求倾向于将与压轮104相关联的楔角(θ1，θ2)推到更高的角度，以使得移除更容易。移除压轮104的过程包括加热联结套环106以促进膨胀，然后将楔形物打入或使用上述其他方法之一，以便于释放压轮104。

可加热工具104(即，压轮)的方式有多种。一种布置是在FSW操作期间快速提取工具104，并使用该操作条件进行释放。第二种解决方案是提供加热器模块，该加热器模块配合在联结套环106周围，并且部分地根据用于联结套环106的材料，通过火焰、辐射、传导或感应直接加热它。在合适的情况下，感应通常是最有效的解决方案，可以快速直接地向最需要加热的部件提供热量。

本发明的另一个特征在于联结套环106材料的选择。使工具保持器(工具柱102和联结套环106)可重复使用，有更广泛的材料可以被认为是商业上可行的(例如，满足市场可接受的价格点)，因为可以考虑更昂贵的材料。常规的强金属(例如，基于铁)具有约11ppm/℃的CTE值，而烧结的PCBN和W-C的CTE值为4ppm/℃至5ppm/℃。因此，CTE的巨大差异是工具104在使用多侧部收缩配合套环的情况下在操作温度下变得松动配合的主要原因。严格来说，材料的CTE本身通常是温度的函数，关键参数变成从室温到操作条件的总膨胀，这相当于在整个温度变化过程中将CTE积分为温度的函数。

虽然通常比常规金属贵得多，但已知许多定制合金的CTE值显著低于11ppm/℃，至少在从室温到600℃的温度范围的一部分内，同时在高温下保持强度——见图21、图22和图23。特别是，在高至600℃的温度下，合金HRA 929、909和903全都不同程度地具有比常规钢更低的CTE，并且929在高至400℃的温度下具有与W-C非常相似的CTE。这将最大限度地降低正常操作期间套环远离其所包围并且机械夹紧的PCBN或W-C元件膨胀的风险，同时仍允许在组装和拆卸工具时使用较高的温度偏移。

在本发明的第二实施例中，工具柱102被烧结或扩散结合到超级磨料压轮104上，并且省略了联结套环106。

由于压轮104不再承受当压轮104在联结套环106中变松时过大的跳动力或联结套环106内的颤动冲击，可以将压轮104的韧性降低，进而换得增强的耐磨性。这样，一系列其他材料可用于超级磨料压轮104内的金属粘结剂。这样做的优点在于，它能够允许一系列其他的联结和组装解决方案，其中的一种选项是将金属或W-C柱102烧结或扩散结合到超级磨料压轮104上。

烧结的或扩散结合的界面位于沿着工具保持器纵向轴线的某点上，并且通常正交于该点并且关于该点旋转对称，尽管特别是烧结的界面可以在界面处具有打破这种旋转对称的附加结构。替代地，它可以采取薄壁圆锥体的形式，填充两个圆锥形和配对部件之间的间隙。界面可以由单层或多层组成。仍然存在处理该界面层与组件的其余部分之间潜在CTE失配的问题。由于温度偏移主要与压轮104变热有关，并且压轮104具有大约4ppm/℃到5ppm/℃的CTE，然后三个选项为：

1)将界面区域定位成在使用中离工具组件的热区域足够远，或者提供足够有效的冷却以确保其保持较冷并低于特定的温度阈值，

2)保持界面区域的CTE低，特别是低于限定的阈值，使得当界面区域变热时，界面区域与压轮之间的CTE失配不会过大，并且不会导致热应力足以超过联结部或相邻部件的强度，或者

3)为了保持界面区域的最小尺寸低，并低于特定的阈值，使得应变被容纳在界面区域内，并且施加在界面区域外部的应力保持较小。

例如，高强度和高熵合金TZM(TiZrMo)具有大约6ppm/℃的CTE，其与超级磨料压轮104(通常为4.5ppm/℃–5ppm/℃)相当密切匹配，其中CTE以超级磨料组分例如PCBN为主。TZM可以用作超级磨料压轮104的粘结剂，也可以用作结合到超级磨料压轮104背部的金属柱102。结合可以是扩散结合。替代地，柱102可以是W-C，特别是在超级合金柱的成本将大于W-C柱的成本的情况下，这取决于所选择的特定超级合金。

扩散结合是一个可逆的过程，因为在结合温度下，如果需要，也可以拆卸联结部，通常是通过向一旁滑下部件。

替代地，超级磨料压轮104可以在制造过程中烧结到W-C背衬层上，随后结合到W-C层上。这里的一个选项可以是结合到也由W-C制成的柱102，两个W-C元件之间的界面是使用薄金属层的扩散结合。如前面所提到的，直接烧结到足够大的W-C柱上以将工具直接安装到FSW机器中对于任何较大尺寸的工具(例如，>4mm的销长度，可能用于结构应用中)都是困难的，因为与烧结胶囊的尺寸相比，传递来自FSW机器的高扭矩并同时最小化跳动所需的轴的总长度将会很大。然而，对于较小的销长度，这可能是一种可行的解决方案，例如可能用于汽车和精细金属工程中的较小的销长度，此时销长度<4mm，通常为2mm是合适的。

作为更常规的金属如超级合金TZM的替代，超级磨料粘结剂可以是耐火高熵合金，在单相金属中包含五种或更多种金属元素，其中由于与多种成分的熵相关联的高熵(因此低Gibbs自由能)，合金保持单相。

在本发明的第三实施例中，工具柱102通过摩擦旋转联结方式与超级磨料压轮104联结，并且再次省略了联结套环106。这是上文描述为扩散结合的联结替代地通过使用摩擦旋转焊接或诸如线性摩擦焊接或超声波摩擦焊接的一些其他形式的摩擦联结来形成的情况。这种结合通常在界面处包括金属层，其中金属层的熔点低于被联结的两种主要元素，并且其中该层的最小尺寸不超过3mm，优选2mm、1.5mm、1mm、0.5mm，部分是为了最小化与这种金属层的可能更高的CTE相关联的应力。所述界面层是连续的，并且可以包括多于一种材料或子元素。

例如，界面材料可以是铝或铜。原则上，金属层甚至可以是钢，因为W-C与钢之间的摩擦结合已经被证明。使用足够低熔点的金属的优点是，尽管联结最初可以通过摩擦产生的加热来形成，但是该联结可以通过加热整个单元以软化联结部，然后机械地分离它们而被解体，就像使用扩散结合时那一样。相反，联结材料的熔点或软化点需要足够高，以在工具使用中不会失效，尽管这可以通过下文所描述的工具保持器的冷却来支持。

在上述实施例中的每个实施例中，一旦金属元件连接到超级磨料压轮，可以使用更常规的解决方案来完成工具保持器的剩余部分，例如转换柱，该转换柱使FSW工具保持器的定制工具柱适应在FSW机器上使用的更标准大小的工具保持器。金属工具保持器柱也允许柱是锥形的，但是具有金属“键”措施来传递扭矩。典型地，这种金属键措施包括矩形金属杆，该矩形金属杆位于柱锥形部中的凹槽中，该凹槽在柱的纵向轴线的平面内延伸并平行于锥形部的壁，并且矩形金属杆与FSW机器内的锥形部中的适当匹配的凹槽接合。

本发明的另一个特征是设计一种工具保持器，以在操作过程中管理和修改热流，减少不同热膨胀对减弱部件之间结合的有害影响，并最终减少再次拆卸工具所需的温度偏移。这一目标可以通过多种方式来实现，其中第一种方式是将低热导率部件(通常是陶瓷)插入工具保持器的整体构造中。热屏障元件，例如(一个或更多个)薄板，可以插入超级磨料压轮与联结套环之间的锥形部。这种设计将保持陶瓷处于压缩状态，并提供了一个额外的拆卸选项，这将是对陶瓷间隔件的化学侵蚀。替代地，在工具柱102的端部与超级磨料压轮104之间的间隙22中，可以放置热屏障元件，该热屏障元件是传导、对流和/或辐射的屏障，其形式为岩棉，该岩棉没有被压缩到显著承重的程度。

除了这些被动解决方案之外，还设想了用于热管理的主动解决方案。常规的解决方案是采用水冷却夹套，要么随工具旋转并通过供水和回水来适应这种旋转，要么保持静态并靠近工具放置。替代地，水冷却可以沿着柱中的冷却通道提供，例如通过具有沿着柱中心延伸的孔，可能具有将水进给到孔底部的管，在孔底部，轴附连到超级磨料压轮，并且水的返回受到轴内的孔的约束。向这种旋转轴的中心提供水冷却的方法是已知的。为了更好地控制冷却效果，使用的液体可以不是水，例如是油。液体冷却的一个限制是，在选定的操作压力下，液体向气体的潜在相变提供了冷却速率的不连续性，因此通常作为被冷却的固体与用于冷却的液体之间边界的容许温度的温度上限。这种限制可以通过使用气体冷却来避免，其中没有进一步的相变来产生冷却效果的这种不连续性。气体冷却的一个选项是一组风扇叶片，每个叶片从套环传导热量，并驱动空气运动来冷却它们。出于安全原因，该风扇可能需要在一个封闭的圆柱区段中(静态，或随其一起旋转)。因此，气流将大致平行于工具轴线，通常朝向工件，并且也可用于冷却焊接区。焊接的快速冷却(例如在水下焊接时)可以产生更精细和性能更好的微观结构，而且这样的空气冷却也可以是有益的。替代地，气体冷却可沿着轴的中空中心使用，代替上述水冷却。

简而言之，已经开发了一种摩擦搅拌焊接工具组件，以最小化操作期间的有害跳动。通过精心选择材料以减少CTE失配和巧妙的结构设计，已经解决了这个问题。工具保持器可重复使用，压轮可替换。

Claims (27)

1.一种用于搅拌摩擦焊接的工具组件，所述工具组件包括各自具有旋转轴线的工具保持器和压轮，所述工具保持器包括工具柱，所述压轮包括销，所述压轮联接到所述工具柱，其中，所述工具组件适于使得在搅拌摩擦焊接期间，作为所述工具保持器的旋转轴线与所述销的旋转轴线之间的跳动量而测量的所述工具保持器的跳动量，不超过10μm。

2.根据权利要求1所述的工具组件，其中，压轮通过扩散结合与所述工具柱联接。

3.根据权利要求1所述的工具组件，其中，所述压轮通过摩擦焊接与所述工具柱联接。

4.根据权利要求1所述的工具组件，其中，所述工具保持器包括环形联结套环，所述环形联结套环能够安装在所述工具柱周围和所述压轮周围，以将所述工具柱和所述压轮轴向对准地联接。

5.根据权利要求4所述的工具组件，其中，所述压轮和所述联结套环相应地向内朝向所述工具柱呈锥形。

6.根据权利要求5所述的工具组件，其中，所述压轮以角度θ₁呈锥形，所述角度θ₁的范围为2°至15°，优选为5°至10°，最优选为6°至8°。

7.根据权利要求4、5或6所述的工具组件，其中，所述工具柱和所述联结套环相应地向内朝着所述压轮呈锥形。

8.根据权利要求7所述的工具组件，其中，所述工具柱以角度θ₄呈锥形，所述角度θ₄的范围为2°至15°，优选为3°至8°，最优选为4°至7°。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的工具组件，其中，所述工具柱、压轮和联结套环中的任一个或更多个在轴向截面上是圆形的。

10.根据权利要求4至8中任一项所述的工具组件，其中，所述工具柱、压轮和联结套环中的任一个或更多个在轴向横截面上是多边形的。

11.根据权利要求10所述的工具组件，其中，所述压轮包括一组径向朝外的刻面，所述联结套环包括一组径向朝内的刻面，每组刻面径向向内朝向所述工具柱延伸。

12.根据权利要求10或11所述的工具组件，其中，所述工具柱包括一组径向朝外的刻面，并且所述联结套环包括第二组径向朝内的刻面，每组刻面径向向内朝向所述压轮延伸。

13.根据权利要求11或12所述的工具组件，每组包括六个、七个或八个刻面。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的工具组件，其中，每个刻面具有四个侧部，所述四个侧部中的两个相互平行，其余两个侧部相互会聚。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的工具组件，其中，每组刻面围绕中心轴线串联布置。

16.根据权利要求15所述的工具组件，其中，每组刻面围绕所述中心纵向轴线等角度间隔开。

17.根据权利要求15或16所述的工具组件，其中，围绕所述中心轴线的顺序刻面并列布置，通过圆化相交部连接。

18.根据权利要求4至17中任一项所述的工具组件，其中，所述联结套环包括在高至600℃的温度下热膨胀系数(CTE)小于11ppm/℃的材料。

19.根据前述权利要求中任一项所述的工具组件，还包括安装在所述工具柱和压轮周围的加热器模块。

20.根据权利要求19所述的工具组件，其中，所述加热器模块包括感应型加热器。

21.根据前述权利要求中任一项所述的工具组件，还包括轴向设置在所述工具柱与所述压轮之间的热屏障元件。

22.根据权利要求4至21中任一项所述的工具组件，还包括设置在所述压轮与所述联结套环之间的热屏障元件。

23.根据前述权利要求中任一项所述的工具组件，还包括基于液体的内部冷却系统。

24.根据前述权利要求中任一项所述的工具组件，还包括基于气体的内部冷却系统。

25.根据前述权利要求中任一项所述的工具组件，其中，所述压轮能够从所述工具柱上拆离。

26.根据当从属于权利要求4至24时的权利要求25所述的工具组件，其中，所述联结套环包括两个直径相对的入口孔口，用于接纳楔形插件。

27.根据当从属于权利要求4至24时的权利要求25所述的工具组件，还包括顶杆，并且其中，所述工具柱包括中心内孔，以可滑动地接纳所述顶杆，所述顶杆用于将所述压轮从所述联结套环顶出。

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