CN117733309A - 用于摩擦钻头接合的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具包括钻头，所述钻头具有锥形销和非切割尖端。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中或从所述顶表面延伸，并且被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。

Description

用于摩擦钻头接合的系统和方法
本申请是向国家知识产权局提交的、申请日为2019年5月9日、标题为″用于摩擦钻头接合的系统和方法″、申请号为201910382643.X的发明专利申请的分案申请。
背景技术
金属的搅拌摩擦处理(“FSP”)已用于在固态接合过程中将可焊接材料彼此附接。FSP使用压在可焊接材料表面上的销的运动来产生热量和摩擦以移动可焊接材料。所述材料可以与第一材料所接合的第二材料一起塑化并物理搅拌。销、销和轴肩，或另一“FSP工具”可以接触工件进行旋转。力施加至FSP尖端以促使FSP工具抵靠工件。FSP工具沿着工件移动以搅拌工件的材料。将来自两个板的材料混合的物理过程将板接合。
FSP在固态过程中接合可焊接材料，这避免其它焊接过程的许多潜在缺陷。例如，FSP沿着工具的路径产生与原始材料不可区分的搅拌区域。可以在不包括附加材料或使用保护气体的情况下执行FSP。例如金属-惰性气体(“MIG”)焊接的一些焊接方法可以引入附加材料来形成结合。例如钨-惰性气体(“TIG”)焊接的其它焊接方法可以使用不可消耗接触点来加热一个或多个工件。然而，加热可能使一个或多个工件达到液相并且在一个或多个工件中存在相变风险。相变可能损害结合的完整性并潜在地损害工件本身。为了限制相变或其它反应的可能性，TIG焊接和类似过程在接触区域周围利用惰性气体“保护”。
当FSP工具从工件缩回时，传统FSP使用不可消耗钻头并留下空隙。摩擦钻头接合(FBJ)使用可消耗钻头，所述可消耗钻头由FBJ过程消耗并且成为所产生接头的整体部分。FBJ接头通常需要至少一个精加工步骤，有时更多个精加工步骤以产生精加工表面。
发明内容
在一些实施方案中，一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具包括钻头，所述钻头具有锥形销且具有非切割尖端。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中，所述至少一个特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。
在一些实施方案中，一种用于摩擦钻头接合的工具包括钻头和驱动器。所述驱动器具有可围绕旋转轴旋转的驱动器主体以及从所述驱动器主体突出的至少一个机械互锁特征。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个互补的互锁特征凹入所述顶表面中，所述至少一个互补的互锁特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕所述旋转轴旋转。
在一些实施方案中，一种摩擦钻头接合工件的方法包括使驱动器围绕旋转轴旋转，以及使用所述驱动器使钻头接触所述工件旋转。所述方法还包括将所述钻头轴向移动至所述工件中以及使工件材料移位。所述方法通过以下方式继续：用所述钻头搅拌摩擦所述工件材料，其中所述钻头的顶表面与工件表面齐平；然后使所述钻头在所述工件中停止并将所述钻头与所述驱动器断开，使得所述钻头保持在所述工件中。
提供本概述以便介绍将在以下详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述并非意在识别所要求主题的关键特征或基本特征，也不意在帮助限制所要求主题的范围。
本公开的实施方案的额外特征和优点将在以下描述中阐述并且将从描述中部分显而易见，或者可以通过实践这些实施方案习得。借助于所附权利要求书中特别指出的仪器和组合，可以实现和获得这些实施方案的特征和优点。这些和其它特征将从以下描述和所附权利要求书中变得更显而易见，或者可以通过实践下文阐述的这些实施方案习得。
附图说明
为了描述可以获得本公开的上述和其它特征的方式，通过参考在附图中说明的本公开的具体实施方案来呈现更具体描述。为了更好地理解，在各个附图中，已用相同参考标号表示相同元件。尽管一些附图可能是概念的示意性或夸大表示，但是其它附图应被视为按比例绘制以用于实例实施方案。应理解，附图描绘一些实例实施方案，将通过使用附图以附加特性和细节描述和说明实施方案，在附图中：
图1是根据本公开的实施方案的摩擦钻头接合系统的透视图；
图2是根据本公开的实施方案的焊接对接接头的摩擦钻头接合系统的透视图；
图3-1是根据本公开的实施方案的焊接搭接接头的摩擦钻头接合系统的透视图；
图3-2是在图3-1中说明的搭接接头的实施方案的侧视截面图；
图4是图3-1的摩擦钻头接合工具的实施方案的透视分解图；
图5是图3-1的摩擦钻头驱动器的实施方案的端视图；
图6是图3-1的摩擦钻头的实施方案的端视图；
图7是图3-1的摩擦钻头的实施方案的侧视截面图；
图8是根据本公开的一些实施方案的摩擦钻头接合接头的透视图；以及
图9是说明根据本公开的实施方案的摩擦钻头接合工件的方法的流程图。
具体实施方式
本公开总体上涉及增加用于搅拌摩擦焊接、接合、处理，或其它搅拌摩擦过程的摩擦钻头接合(FBJ)工具的效率的装置、系统和方法。更具体来说，本文所描述的一些实施方案涉及在FBJ过程期间产生接近精加工表面的FBJ工具的设计、制造和使用。例如，FBJ工具可以用于搅拌摩擦一个或多个工件并消耗接头中的FBJ钻头，同时留下与原始工件表面齐平且没有闪光或其它碎屑的表面，而无需后续机器加工或精加工过程。
在一些实施方案中，根据本公开的FBJ工具包括FBJ钻头和FBJ驱动器。FBJ钻头可以由驱动器通过FBJ钻头与驱动器之间的机械互锁旋转，以搅拌摩擦一个或多个工件。随后，当驱动器缩回时，FBJ钻头可以保持在接头中，其中FBJ钻头的表面与工件的表面齐平。
在一些实施方案中，FBJ钻头具有圆锥形(包括截头圆锥形)、弯曲的或其它非切割尖端。FBJ钻头的尖端可以用轴向力插入工件中，所述轴向力将工件材料从工件和/或接头的搅拌区域移位。在一些实施方案中，FBJ工具的驱动器包括一个或多个切割元件，以切割或以其它方式从搅拌区域周围的工件的表面清除闪光。在其它实施方案中，驱动器包括一个或多个磨光器，以压缩和/或磨光搅拌区域周围的工件的表面。
在一些实施方案中，通过使工件材料移位，而不是切入工件材料中进行FBJ钻头的穿透可以产生工件材料的更大量移动。在一些实例中，除了FBJ工具接触工件旋转之外，FBJ工具可以在移位时产生热能。然后，随着FSP工具工作表面的旋转，FBJ工具可以摩擦地拖动工件材料以使工件材料以基本上圆周运动流动。在其它实例中，FBJ工具包括在销和/或轴肩上的一个或多个表面特征，所述一个或多个表面特征与工件材料机械接合以使工件材料流动。增加的流速可以产生更强焊接和/或允许跨越工件表面的增加的平移速度，以在更短时间内完成焊接。
图1示出FBJ系统100的实施方案，其中FBJ工具102接触工件104。FBJ工具102围绕旋转轴105接触工件104旋转可以在搅拌区106中搅拌工件104，并且在搅拌区106外形成热影响区108。在一些实施方案中，FBJ搅拌工件104以用可消耗FBJ钻头细化工件材料的搅拌区106和/或热影响区108中的晶粒结构。例如，工件材料的晶体结构可以至少部分地取决于工件的制造。所制造的晶粒结构对于精加工部件可能是不合需要的。尽管FBJ可以用于接合多个工件，但是可消耗钻头可以用于工件的搅拌摩擦处理(FSP)。
在一些实例中，铸造工件具有随机取向(即，无纹理)，具有相对较大晶粒尺寸且在每个晶粒内几乎没有变形。铸铝的FSP可以细化晶粒尺寸以产生较小平均晶粒尺寸(增加微结构的边界密度)。铸铝的FSP可以进一步在晶粒内产生内应力。晶界密度和内应力中的一者或两者的增加可以增加铝的硬度。
在其它实例中，挤压或轧制工件展现对晶粒结构的优选取向(例如，分别在铝中<101>纹理或<001>纹理)，这在精加工部件中可能是不合需要的。例如，铝杆中的挤压纹理可能在用作轮轴时增加铝的机械磨损率。铝的FSP可以机械地改变铝的晶粒结构和/或清除杆表面的挤压纹理。取向纹理可能影响工件的其它机械或化学特性，例如，各向异性硬度或韧性，或氧化速率。
在其它实施方案中，FBJ指第一工件与第二工件的搅拌摩擦焊接。例如，图2示出FBJ系统100以及搅拌焊接对接接头的图1的FBJ工具。第一工件104-1可以定位成在对接接头110中接触第二工件104-2，并且第一工件104-1和第二工件104-2可以沿着对接接头110由FBJ接合。FBJ工具102可以使第一工件材料和第二工件材料在圆周方向上并垂直于搅拌区106中的对接接头110流动，以在第一工件104-1与第二工件104-2之间传递材料，从而沿着对接接头110机械地接合第一工件104-1和第二工件104-2。
搅拌焊接是固态接合过程，所述固态接合过程塑性地移动第一工件104-1和第二工件104-2的材料，以在微结构水平上互锁第一工件104-1和第二工件104-2。在一些实施方案中，第一工件104-1和第二工件104-2是相同材料。例如，第一工件104-1和第二工件104-2都可以是AA 6065铝合金。在其它实施方案中，第一工件104-1和第二工件104-2是不同材料。例如，第一工件104-1可以是单相铝合金，并且第二工件104-2可以是单相铜合金。在其它实例中，第一工件104-1是AA 6063铝合金，并且第二工件104-2是AA 7075铝合金。
在另一实施方案中，通过FBJ的搅拌焊接包括在搭接接头中彼此相邻的第一工件和第二工件的搅拌摩擦，例如，图3-1中所示的实施方案。FBJ工具102可以定位成接触第一工件104-1的表面，并且FBJ工具102可以插入第一工件104-1中以及任选地第二工件104-2中，以塑性地移动第一工件材料和第二工件材料以在搭接接头112处互锁第一工件104-1和第二工件104-2。
在一些实施方案中，通过FBJ焊接的搭接接头111可能比对接接头焊接需要更大轴向负荷。当使用非切割FBJ钻头将工件材料移位时，增加的轴向负荷可以产生更大热能以及更大材料流。例如，图3-2是图3-1的搭接接头112的侧视截面图。
图4是根据本公开的FBJ工具102的实施方案的侧视截面图。在一些实施方案中，FBJ工具102具有耦合至驱动器116的钻头114。钻头114可以相对于驱动器116可旋转地固定，使得驱动器116通过FBJ系统100的旋转可以使FBJ钻头114旋转。在其它实施方案中，钻头114相对于驱动器116轴向固定，使得驱动器116的轴向移动产生钻头114的轴向移动。例如，钻头114可以轴向固定至驱动器116直至阈值力。超过阈值力可以将钻头114与驱动器116断开。阈值力可以允许钻头114与驱动器116一起移动以定位FBJ工具102，并且随后在焊接完成时使钻头114留在工件中。在一些实施方案中，阈值力大于0.5镑(2.22N)。在其它实施方案中，阈值力大于1.0镑(4.45N)。在其它实施方案中，阈值力大于5.0镑(22.24N)。
阈值力可以是分离钻头114和驱动器116所需的力，而朝向工件104-1、104-2向下的轴向压缩力可以在具有上限值、下限值，或上限值和下限值的范围中，包括1,000镑(4.45kN)、2,000镑(8.90kN)、4,000镑(17.8kN)、6,000镑(26.7kN)、8,000镑(35.6kN)、10,000镑(44.5kN)、15,000镑(66.8kN)、20,000镑(89.0kN)、大于20,000镑(89.0kN)，或其间的任何值中的任一个。例如，轴向力可以大于1,000镑(4.45kN)。在其它实例中，轴向力可以小于20,000镑(89.0kN)。在其它实例中，轴向力可以在1,000镑(4.45kN)与20,000镑(89.0kN)之间。在其它实例中，轴向力可以在1,000镑(4.45kN)与10,000镑(44.5kN)之间。在至少一个实例中，轴向力可以在3,750镑(16.7kN)与4,250镑(18.9kN)之间，并且在特定实施方案中为4,000镑(17.8kN)。
在一些实施方案中，钻头114包括铁合金或由铁合金制成，例如，工具钢、镍合金(例如，镍超合金)、铝合金(例如，AA 6065)，或与FBJ钻头114要结合的工件冶金兼容的任何其它材料。例如，钻头114可以在对接接头中与工件104-1、104-2冶金兼容。在其它实例中，钻头114在搭接接头112中与底部工件(即，第二工件104-2)冶金兼容。在一些实施方案中，钻头114具有一个或多个涂层以提高钻头114与工件104-1、104-2的冶金兼容性。在其它实施方案中，钻头114具有一个或多个涂层以提高钻头114的耐蚀性和/或耐磨性。在其它实施方案中，钻头114具有一个或多个涂层以提高钻头114的耐蚀性。
在一些实施方案中，即使在钻头114的任何旋转以及工件材料的搅拌之前，在搭接接头112处工件材料从工件104-1、104-2的移位也扰乱工件材料并使工件材料在搅拌区106内流动。因此，与切割相比，钻头114通过移位的穿透可以允许工件材料的更大总移动，从而增加所得焊接的均匀性和强度。
阈值力可以至少部分地与钻头114至驱动器116的附接机制有关。例如，图4是示出图3-1的钻头114和驱动器116的实施方案的分解透视图，其示出所述钻头与所述驱动器之间的附接机构。
在一些实施方案中，钻头114被构造成围绕旋转轴105旋转以移动工件材料。钻头114可以具有销118和轴肩120。例如，销118可以有助于穿透到工件材料中并有助于工件材料的后续搅拌。轴肩120可以比销118宽，并且可以含有通过销118移位的工件材料且进一步有助于工件材料的搅拌。在其它实施方案中，钻头114具有销118，但缺少轴肩120。
驱动器116可以包括驱动器主体122以及一个或多个机械互锁特征124，所述一个或多个机械互锁特征允许驱动器116与钻头114上的互补互锁特征126互锁和接合。例如，机械互锁特征124可以是与钻头114上的凹槽或其它互补互锁特征126接合的突起或支柱。在其它实例中，钻头114上的互补互锁特征126是与驱动器116上的凹槽或其它机械互锁特征124接合的突起或支柱。在钻头114上具有突起或其它凸起的互补互锁特征126的实施方案中，可以执行额外的精加工步骤以清除凸起的互补互锁特征126并在完成FBJ过程之后形成平面表面。
在一些实施方案中，驱动器116包括切割器128以在FBJ过程中清除闪光或其它碎屑。例如，切割器128可以耦合至驱动器主体122，使得在驱动器116转动时，切割器围绕旋转轴105旋转。切割器128可以定位成从工件切割材料并且在FBJ之后产生基本上平坦的表面。在其它实施方案中，FBJ系统包括用于由切割器128清除闪光或其它工件材料产生的钻屑的排空和/或收集系统。例如，排空和/或收集系统可以包括真空系统和/或废物收集箱，以收集钻屑并简化钻屑的处理或再使用。
在其它实施方案中，切割器128用于确定钻头114至工件中的穿透深度。例如，当切割器128接触所述工件表面时，驱动器116可以停止轴向移动以及钻头114的相关联轴向穿透。在其它实例中，切割器128的切割边缘甚至与钻头114的顶表面轴向定位，以限制钻头114和驱动器116穿透至工件材料中。在其它实施方案中，驱动器主体122支撑一个或多个磨光器、抛光器或平滑元件，当驱动器116围绕旋转轴105旋转时，所述一个或多个磨光器、抛光器或平滑元件不切割，而是以其它方式接触工件的表面。在一些实例中，磨光器或平滑元件用于确定钻头114至工件中的穿透深度。
图5是图4的驱动器116的实施方案的端视图。如关于图4所描述，驱动器116可以包括多个机械互锁特征124。在一些实施方案中，机械互锁特征124围绕旋转轴105以一定角度间隔定位。例如，机械互锁特征124可以围绕旋转轴以相等角度间隔定位。在一些实例中，具有三个机械互锁特征124的驱动器116使机械互锁特征124以120°角度间隔定位。具有两个机械互锁特征124的驱动器116可以使机械互锁特征124以180°间隔定位。在其它实例中，驱动器116具有4个、5个、6个、7个、8个或更多个机械互锁特征124。
在其它实施方案中，驱动器116具有以不等间隔定位的机械互锁特征124。例如，具有三个机械互锁特征124的驱动器116可以使机械互锁特征124以彼此110°、120°和130°角度间隔定位。具有两个机械互锁特征124的驱动器116可以使机械互锁特征124以170°和190°间隔定位。
如关于图4所描述，驱动器116可以包括在驱动器116的旋转方向132上取向的多个切割器128。切割器128可以包括硬质材料或由硬质材料制成，例如，工具钢或钴铬合金；碳化物，例如碳化钨；其它超硬材料，例如金刚石或立方氮化硼聚晶；或其它材料。
在一些实施方案中，切割器128围绕旋转轴105以规则角度间隔定位。例如，切割器128可以围绕旋转轴以相等角度间隔定位。在一些实例中，具有三个切割器128的驱动器116使切割器128以120°角度间隔定位。具有两个切割器128的驱动器116可以使切割器128以180°间隔定位。在其它实例中，驱动器116具有4个、5个、6个、7个、8个或更多个切割器128。
在其它实施方案中，驱动器116具有以不等间隔定位的切割器128。例如，具有三个切割器128的驱动器116可以使切割器128以彼此110°、120°和130°角度间隔，或以彼此110°、110°、140°角度间隔定位。具有两个切割器128的驱动器116可以使切割器128以170°和190°间隔或以150°和210°间隔定位。
在一些实施方案中，除了将扭矩从驱动器116传输至钻头114之外，机械互锁特征124与钻头114的互补互锁特征126摩擦配合，如图6中所示。在一些实施方案中，钻头114和驱动器116的轴向连接至少部分地是由于机械互锁特征124和互补互锁特征126中的一个或多个之间的摩擦配合。在其它实施方案中，驱动器116包括保持机构以保持钻头114抵靠着驱动器116。例如，驱动器116可以包括驱动器116中的磁体134，所述磁体将磁力施加至钻头114，以保持钻头114抵靠着驱动器116并且与机械互锁特征124接合。在其它实施方案中，磁体134是电磁体，可以停用所述电磁体以在轴向方向上释放钻头114。在相同或其它实施方案中，磁体134热绝缘以在FBJ过程期间保护磁体134免受热损坏。在其它实施方案中，保持机构包括保持钻头114抵靠着驱动器116的真空保持系统。
图6是图4的钻头114的实施方案的俯视图，所述钻头面向与图4中所示的销相对的顶表面140。钻头114可以被构造成围绕旋转轴105旋转。因此，互补互锁特征126可以围绕旋转轴105以角度间隔定位。可以选择互补互锁特征126的角度位置以匹配驱动器的机械互锁特征的位置，如关于图5所描述。
在一些实施方案中，钻头114包括磁体138，所述磁体定位成将磁力施加至驱动器以将钻头114保持在驱动器上。在其它实施方案中，钻头114不具有磁体，但是包括磁性(例如，铁磁)材料或由所述磁性材料制成。位于驱动器上的磁体可以将磁场施加至钻头114，从而产生将钻头114保持在驱动器116上的磁力。在具有磁体138的实施方案中，磁体138可以与钻头114的顶表面140齐平，使得当在FBJ过程期间在接头中消耗钻头114时，所述钻头呈现平坦的顶表面140。
在图7中的钻头114的侧视截面图中示出钻头114的磁体138和互补互锁特征126。互补互锁特征126可以具有与钻头114的轴肩120的轴肩高度144有关的距顶表面140的互锁深度142。在一些实施方案中，互锁深度142是轴肩高度144在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中的百分比，包括50％、60％、70％、80％、90％、100％、大于100％，或其间的任何值中的任一个。例如，互锁深度142可以大于轴肩高度144的50％。在其它实例中，互锁深度142可以小于轴肩高度144的100％。在其它实例中，互锁深度142可以在轴肩高度144的50％与100％之间。在其它实例中，互锁深度142可以在轴肩高度144的60％与90％之间。在至少一个实例中，互锁深度142可以大于轴肩高度144的100％。
尽管图7示出具有平面顶表面140的钻头114的实施方案，但是钻头114的其它实施方案具有非平面顶表面140。例如，钻头114可以具有类似于螺栓上的扁圆头的凸起的顶表面140。在其它实例中，顶表面140可以凹入，使得顶表面140的一部分朝向钻头114的销118凹入。在至少一个实例中，顶表面140可以是截头圆锥形的，其中一部分是平面的且一部分是非平面的。
在一些实施方案中，钻头114具有大体上圆锥形销118以及基本上平坦轴肩120。在相同或其它实施方案中，弯曲过渡部146可以位于销118与相邻轴肩120之间，以将工件材料流引导至轴肩120。在其它实施方案中，钻头114具有销118，但缺少轴肩120。在其它实施方案中，销118具有面148，所述面上具有一个或多个表面特征以与工件材料接合并且增加钻头114周围的工件材料流。
在一些实施方案中，销118包括一个或多个表面特征，以在销118的旋转期间增加工件材料的移动。例如，销118可以具有螺旋表面特征，以促使搅拌区中的材料朝向搅拌区的径向中心循环，而不是远离FBJ钻头114轴向移位。这种销表面特征可以有益于搭接接头搅拌摩擦焊接，以减少和/或防止焊接区中的工件材料变薄。螺旋销表面特征组合销轮廓的线性部分和/或弯曲部分的角度也可以使工件材料在搅拌区内向下循环。这种表面特征可以有益于搭接搅拌摩擦焊接，以促使搅拌的工件材料从第一工件朝向第二工件以形成搭接接头。
图7中的销118具有与轴肩高度144有关的销高度150。在一些实施方案中，销高度150是轴肩高度144在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中的百分比，包括50％、60％、70％、80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、大于150％，或其间的任何值中的任一个。例如，销高度150可以大于轴肩高度144的50％。在其它实例中，销高度150可以小于轴肩高度144的150％。在其它实例中，销高度150可以在轴肩高度144的50％与150％之间。在其它实例中，销高度150可以在轴肩高度144的75％与125％之间。在至少一个实例中，互锁深度142可以大于轴肩高度144的150％。
在一些实施方案中，销118具有与钻头高度136有关的销高度150。销高度150可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中，包括钻头高度136的5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或其间的任何值中的任一个。例如，销高度150可以大于钻头高度136的10％。在另一实例中，销高度150可以大于钻头高度136的25％。在另一实例中，销高度150可以大于钻头高度136的50％。
在一些实施方案中，销118具有与钻头114的总直径154有关的在纵向方向上的销高度150。在图7中，总直径154是钻头114的最大直径，或顶表面140的直径。销高度150可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中，包括总直径154的5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或其间的任何值中的任一个。例如，销高度150可以大于总直径154的5％。在另一实例中，销高度150可以小于总直径154的100％。在另一实例中，销高度150可以在总直径154的10％与50％之间。在至少一个实例中，销高度150可以在总直径154的15％与35％之间。
在其它实施方案中，钻头114具有与总直径154有关的钻头高度136。钻头高度136可以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中，包括总直径154的5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或其间的任何值中的任一个。例如，钻头高度136可以大于总直径154的5％。在另一实例中，钻头高度136可以小于总直径154的100％。在另一实例中，钻头高度136可以在总直径154的10％与50％之间。在另一实例中，钻头高度136可以在总直径154的25％与40％之间。在至少一个特定实例中，例如当接合厚工件和/或FBJ放置的位置具有相对较小横向间隙时，钻头高度136可以大于总直径154的100％。
图7示出具有锥形销118的钻头114。在一些实施方案中，销118具有至少部分线性的销轮廓。在其它施方案中，销118具有至少部分弯曲的销轮廓。在其它实施方案中，销118具有其中一部分弯曲且一部分线性的销轮廓。例如，图7中所示的销118的实施方案包括具有弯曲过渡部146和线性面148的销轮廓。
钻头114可以具有非切割尖端152，所述非切割尖端允许钻头114通过使工件材料移位而不切割工件材料来穿透工件。在一些实施方案中，钻头114具有圆形尖端152。在其它实施方案中，尖端152可以是尖的。在其它实施方案中，尖端152是平面的并且面148任选地成角度，使得销118为截头圆锥形。在其它实施方案中，尖端152在销直径156上是平面的，使得销118基本上为圆柱形。在至少一个实施方案中，尖端152包括至少一个导向特征，以有助于与工件材料接合并穿透至工件材料中。
在其它实施方案中，尖端152是切割尖端，所述切割尖端包括一个或多个切割特征以加速穿透至工件材料中。切割特征可以切割直径小于销直径156的导向孔，使得销118将工件材料径向移位到导向孔外部。例如，切割特征可以切割直径为销直径156的50％的导向孔，并且销118的面148可以将工件材料移位到导向孔外部。
在一些实施方案中，销118具有与钻头114的总直径154有关的销直径156。例如，销直径156可以是总直径154在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中的百分比，包括5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、60％、70％、80％、90％、100％，或其间的任何值中的任一个。例如，销直径156可以大于总直径154的5％。在另一实例中，销直径156可以小于总直径154的100％。在另一实例中，销直径156可以在总直径154的10％与90％之间。在至少一个实例中，销直径156可以在总直径154的25％与75％之间。
在一些实施方案中，销118具有在销118的面148与旋转轴105之间的面角158，所述面角在具有上限值、下限值，或上限值和下限值的范围中，包括30°、40°、45°、50°、60°、75°、80°、85°、90°，或其间的任何值中的任一个。例如，面148可以大于30°的面角158取向。在其它实例中，面148以小于90°的面角158取向。在其它实例中，面148以在30°与90°之间的面角158取向。在其它实例中，面148以在45°与80°之间的面角158取向。在至少一个实例中，面148以与旋转轴105成60°的面角158取向。在至少另一实例中，面148以非垂直于旋转轴105的面角158取向。
图8是在通过FBJ将第一工件104-1焊接至第二工件104-2之后搭接接头112的实施方案的透视图。在一些实施方案中，在搭接接头112中消耗钻头114。钻头114可以留在搭接接头112中，与工件表面160齐平，使得顶表面140、搅拌区106和工件表面160彼此连续和/或平面。
在一些实施方案中，钻头114被视为与工件表面齐平，即使钻头114的一部分从工件表面160突出。例如，钻头114可以从工件表面160突出不超过5.0毫米。在其它实例中，钻头114从工件表面160突出不超过3.0mm。在其它实例中，钻头114从工件表面160突出不超过1.0mm。在其它实例中，钻头114的顶表面140凹入工件104-1、104-2中，使得顶表面140的一部分在工件表面160下方。例如，顶表面140可以凹入不超过5.0mm。在其它实例中，顶表面140凹入不超过3.0mm。在其它实例中，顶表面140凹入不超过1.0mm。
在一些实施方案中，搭接接头112的搅拌区106包括精加工区域162，或由精加工区域162包围。精加工区域162可以是在FBJ过程期间由切割器和/或驱动器的平滑元件接触的搭接接头的区域。例如，切割器，例如图4中所示的切割器128，可以相对于FBJ工具的旋转轴位于钻头114的径向外部。因此，切割器可以与工件表面160相互作用，所述工件表面处于通过钻头114的接触产生的搅拌区106的径向外部。在一些实施方案中，精加工区域162包括切割表面，其中在FBJ过程期间移位的闪光或其它工件材料从工件表面160清除。在其它实施方案中，精加工区域162包括磨光表面，所述磨光表面通过平滑元件磨光或以其它方式弄平滑，而不切割与搅拌区106相邻的工件材料。
图9是说明用FBJ工件搅拌摩擦工件的方法264的实施方案的流程图。方法264可以包括在266处使驱动器旋转，以及在268处使钻头通过驱动器接触工件旋转。在一些实施方案中，驱动器和钻头以在具有上限值、下限值或上限值和下限值的范围中的旋转速度旋转，包括1rpm、50rpm、100rpm、1,000rpm、5,000rpm、10,000rpm、20，000rpm、40,000rpm、60,000rpm、大于60,000rpm、或其间的任何值中的任一个。例如，驱动器和钻头的旋转速度可以大于1rpm。在其它实例中，驱动器和钻头的旋转速度小于60,000rpm。在其它实例中，旋转速度在1rpm与60,000rpm之间。在其它实例中，旋转速度在50rpm与20,000rpm之间。在至少一个实例中，旋转速度在100rpm与10,000rpm之间。
在一些实施方案中，方法264还包括在270处将钻头轴向移动至工件中以及使工件材料移位。在钻头的旋转产生热能之前或之后，将钻头插入工件中可以使材料移位。在一些实例中，通过钻头的轴向移动以及工件材料的相关联移位引起的工件材料变形产生热能，以针对FBJ软化和/或塑化工件材料。
方法264可以包括在272处用钻头搅拌摩擦工件，以及随后在274处使钻头在工件中停止以将钻头结合至搅拌区中的工件材料。在一些实施方案中，搅拌摩擦工件包括当工件材料通过钻头移位时，从工件清除闪光。闪光可以由驱动器上的一个或多个切割器清除，所述切割器围绕与驱动器共享的旋转轴旋转。
在一些实施方案中，钻头在3.0秒内从搅拌摩擦的旋转速度停止。在其它实施方案中，钻头在1.0秒内从搅拌摩擦的旋转速度停止。在其它实施方案中，钻头在0.5秒内从搅拌摩擦的旋转速度停止。在其它实施方案中，钻头在0.1秒内从搅拌摩擦的旋转速度停止。
在一些实施方案中，方法264包括在停止钻头之后，在276处将钻头与驱动器断开。例如，在使钻头在工件中停止之后，钻头可以变成结合至工件材料，并且远离工件轴向移动驱动器可以将驱动器与钻头断开。在一些实施方案中，将钻头与驱动器断开包括超过阈值力以将钻头与驱动器断开。在至少一个实施方案中，将钻头与驱动器断开包括停用驱动器中的电磁体以从钻头清除磁力。
根据本公开的FBJ系统可以允许用可消耗钻头进行工件的搅拌摩擦，同时通过在钻头穿透时使工件材料移位来增加工件材料流。在至少一个实施方案中，根据本公开的钻头在完成FBJ过程之后提供与工件表面齐平的表面，而无需额外的精加工步骤。
冠词“一”、“一个”和“所述”意在表示存在前述描述中的一个或多个元件。术语“包括(comprising/including)”和“具有(having)”意在是包含性的并且表示可以存在除了所列元件之外的额外元件。另外，应理解，对本公开的“一个实施方案”或“实施方案”的引用并不意图解释为排除也结合所叙述特征的额外实施方案的存在。例如，关于本文中的实施方案描述的任何元件可以与本文所描述的任何其它实施方案中的任一元件组合，除非这些特征是相互排斥的。如本公开的实施方案所涵盖领域的普通技术人员将了解，本文所述的数字、百分比、比率或其它值意在包括所述值以及还包括“约”或“大致”所述值的其它值。因此，应足够广泛地解释所述值，以涵盖至少足够接近所述值的值，从而执行所需功能或实现所需结果。所述值至少包括在合适的制造或生产过程中预期的变化。
鉴于本公开，本领域普通技术人员应认识到，等效构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以对本文所公开的实施方案作出各种改变、替换和更改。包括功能性“装置加功能”条款的等效构造意在覆盖本文描述为执行所述功能的结构，包括以相同方式操作的结构等效物以及提供相同功能的等效结构两者。申请人的明确意图是不对任何权利要求援引装置加功能或其它功能性权利要求，除非词语“用于……的装置”与相关联功能一起出现。落入权利要求的含义和范围内的对实施方案的每个添加、删除和修改都包含在权利要求中。
本文中使用的术语“大致”、“约”和“基本上”表示接近所述量的量，其仍执行所需功能或实现所需结果。例如，术语“大致”、“约”和“基本上”可以指在所述量的小于5％内、小于1％内、小于0.1％内，以及小于0.01％内的量。此外，应理解，前述描述中的任何方向或参考系仅仅是相对方向或移动。例如，对“上”和“下”或“上方”或“下方”的任何引用仅仅描述相关元件的相对位置或移动。
在不脱离本公开的精神或特征的情况下，本公开可以通过其它特定形式实施。所描述的实施方案将被视为说明性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求书而不是由前述描述指示。在权利要求的含义和等同范围内的变化将包含在其范围内。

Claims (12)

1.一种用于摩擦钻头接合多个工件的工具，所述工具包括：
钻头，其可绕中心旋转轴旋转并包括含铁材料，所述钻头具有：
销，其具有面以及在所述面和所述旋转轴之间的面角；
所述销的沿轴向的侧表面；
非切割尖端，其从所述销的所述面轴向突出，所述非切割尖端包括所述钻头的最下端；
与所述销相对的最上平坦顶表面；
钻头的最上平坦顶表面的中央部分，其与钻头的中心旋转轴相交，所述最上平坦顶表面的中央部分包括被构造成与驱动器的磁体磁性相互作用的含铁材料；
在钻头的最上平坦顶表面中的多个凹槽，以接收驱动器的多个驱动突起，每个凹槽与钻头的中心旋转轴径向向外间隔开，使得凹槽围绕钻头的最上平坦顶表面的中央部分布置；
在所述销和所述顶表面之间的平坦轴肩；
平坦肩部的下部平坦环形表面部分；以及
连接所述销的沿轴向的侧表面和所述平坦轴肩的下部平坦环形表面部分的弯曲过渡部，其中所述弯曲过渡部沿所述旋转轴弯曲。
2.如权利要求1所述的工具，所述非切割尖端是圆形的。
3.如权利要求1所述的工具，所述面角倾斜于所述旋转轴。
4.如权利要求1所述的工具，所述面具有一个或多个表面特征，所述一个或多个表面特征被构造成接合工件材料并使工件材料流动。
5.如权利要求1所述的工具，所述钻头具有在所述钻头的总直径的10％与50％之间的钻头高度。
6.如权利要求5所述的工具，所述钻头具有小于所述钻头的总直径的50％的销高度。
7.一种摩擦钻头接合(FBJ)第一工件及第二工件的方法，所述方法包括：
使驱动器围绕旋转轴旋转；
使用所述驱动器使如权利要求1中所述的钻头接触所述第一工件及第二工件旋转；
通过旋转所述钻头搅拌摩擦所述第一工件及第二工件以混合所述第一工件及第二工件的部分以接合所述第一工件及第二工件，其中搅拌摩擦所述第一工件及第二工件包括混合所述第一工件及第二工件的部分同时使所述钻头的顶表面与所述第一工件及第二工件中的一个的工件表面齐平；
使所述钻头在所述第一工件及第二工件中停止；以及
将所述钻头与所述驱动器断开，使得所述钻头保持在所述第一工件及第二工件中。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
通过所述驱动器上的至少一个切割器清除闪光。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：
在轴向方向上将所述钻头保持在所述驱动器上一直到阈值力。
10.如权利要求9所述的方法，其中将所述钻头与所述驱动器断开包括克服所述阈值力。
11.如权利要求7所述的方法，其中搅拌摩擦所述工件包括使所述钻头以1,000rpm与60,000rpm之间的旋转速度旋转。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述第一工件在所述第二工件上方。
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