DE112014001336T5

DE112014001336T5 - Oberflächenrührreibprozess

Info

Publication number: DE112014001336T5
Application number: DE112014001336.6T
Authority: DE
Inventors: Michael R. Eller; Zhixian LI; Scott M. Maurer
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-12-03
Also published as: SE1551305A1; AU2014249475A1; US20140261900A1; PH12015501979A1; CN105209212A; JP2016516583A; WO2014164318A1

Abstract

Es wird ein Prozess beschrieben, der das einsetzt, was als Oberflächenrührreib(FSS)-Prozess an der Oberfläche eines Metallgegenstands bezeichnet werden kann. Der FSS-Prozess findet an einem Teil oder der gesamten Oberfläche des Metallgegenstands an einer von einer FSW-Schweißnaht getrennten Stelle (Stellen) statt. Der FSS-Prozess erzeugt an der Oberfläche eine korrosionsbeständige, mechanische Konversions-„Beschichtung“ am Gegenstand. Die „Beschichtung“ ist durch die Dicke des Materials des Gegenstands gebildet, der FFS-bearbeitet wurde. In einer beispielhaften Anwendung lässt sich der Prozess auf einen Metallstreifen anwenden, der später zu einem Rohr geformt wird, wodurch die „beschichtete“ Oberfläche auf der Innenseite des Rohrs zu liegen kommt, was es gegen eine korrosive Strömung wie etwa Meerwasser hochbeständig macht.A process is described that uses what may be termed a surface stir (FSS) process on the surface of a metal article. The FSS process takes place on part or all of the surface of the metal article at a location (locations) separate from a FSW weld. The FSS process creates a corrosion resistant, mechanical conversion "coating" on the article on the surface. The "coating" is formed by the thickness of the material of the article that has been FFS processed. In an exemplary application, the process may be applied to a strip of metal that is later formed into a tube, thereby placing the "coated" surface on the inside of the tube, rendering it highly resistant to corrosive flow, such as seawater.

Description

Gebietarea

Diese Offenbarung bezieht sich auf korrosionsbeständige Metallgegenstände und auf die Verwendung von Oberflächenrührreiben (friction surface stirring, FSS) zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von Metallgegenständen.This disclosure relates to corrosion resistant metal articles and to the use of friction surface stirring (FSS) to improve the corrosion resistance of metal articles.

Hintergrundbackground

Die meisten Metalle, auch meerwassertaugliche Metalle, lassen ein Auftreten von Korrosion in Wasserumgebungen, einschließlich Salz-, Brack- und Süßwasserumgebungen erkennen. Korrosion ist in kaltem, tiefem Meerwasser besonders ausgeprägt. Mit der Zeit kann die Korrosion für eine langfristige betriebliche Aufrechterhaltung des der Wasserumgebung ausgesetzten Metallgegenstands schädlich sein.Most metals, including marine grade metals, detect the occurrence of corrosion in water environments, including salt, brackish, and freshwater environments. Corrosion is particularly pronounced in cold, deep seawater. Over time, corrosion may be detrimental to long term operational maintenance of the metal object exposed to the water environment.

Der Einsatz des Rührreibschweißens (friction stir welding, FSW) zum Verbinden zweier Metallgegenstände an einer Schweißnaht ist bekannt. Es wurde beobachtet, dass, wenn diese Gegenstände einer Wasserumgebung ausgesetzt werden, an der Stelle der FSW-Naht es wenig oder gar keine auftretende Korrosion gibt, während eine erhebliche Korrosion an den Metallgegenständen an Stellen außerhalb der FSW-Naht in der Grundmetalllegierung auftritt.The use of friction stir welding (FSW) for joining two metal objects to a weld is known. It has been observed that when these articles are exposed to a water environment, there is little or no corrosion at the FSW seam site, while significant corrosion of the metal articles occurs at locations outside the FSW seam in the base metal alloy.

KurzdarstellungSummary

Es wird ein Prozess beschrieben, der das einsetzt, was als Oberflächenrührreib(FSS)-Prozess an der Oberfläche eines Metallgegenstands bezeichnet werden kann. Der FSS-Prozess findet an einem Teil oder der gesamten Oberfläche des Metallgegenstands an einer von einer FSW-Schweißnaht getrennten Stelle (Stellen) statt. Der FSS-Prozess erzeugt an der Oberfläche eine korrosionsbeständige, mechanische Konversions-„Beschichtung“ am Gegenstand. Die mechanische Konversions-„Beschichtung“ wird durch die Dicke des Materials des Gegenstands gebildet, der FSS-bearbeitet wurde. Die mechanische Konversions-„Beschichtung“ kann ein Teil der Dicke des Metallgegenstands oder die gesamte Dicke des Gegenstands sein.A process is described that uses what may be termed a surface stir (FSS) process on the surface of a metal article. The FSS process takes place on part or all of the surface of the metal article at a location (locations) separate from a FSW weld. The FSS process creates a corrosion resistant, mechanical conversion "coating" on the article on the surface. The mechanical conversion "coating" is formed by the thickness of the material of the article that has been FSS machined. The mechanical conversion "coating" may be part of the thickness of the metal article or the entire thickness of the article.

FSS ist FSW insofern ähnlich, als ein rotierendes Werkzeug verwendet wird, um das Metallmaterial zu erweichen oder zu plastifizieren. Allerdings findet FSS über die Oberfläche des Metallgegenstands anstatt an einer Naht zwischen zwei Gegenständen statt. Der FSS-Prozess kann sich eines herkömmlichen FSW-Werkzeugs bedienen, das zum Ausbilden einer FSW-Schweißnaht verwendet wird, oder ein herkömmliches FSW-Werkzeug kann größenmäßig zur Verwendung bei den größeren, Oberflächen, die FSS unterzogen werden, größer ausgelegt werden.FSS is similar to FSW in that a rotating tool is used to soften or plasticize the metal material. However, FSS takes place over the surface of the metal article rather than at a seam between two objects. The FSS process may utilize a conventional FSW tool used to form an FSW weld, or a conventional FSW tool may be sized in size for use with the larger surfaces subjected to FSS.

Das FSS-Werkzeug kann in mehreren Reibbahnen verwendet werden. Beispielsweise kann das FSS-Werkzeug entlang linearer Bahnen am Metallobjekt in einer Richtung oder in 2 Richtungen (d.h. vor und zurück) rührend verfahren werden. In einer anderen Ausführungsform kann das FSS-Werkzeug in der Mitte beginnen und sich seinen Weg in einem Spiralmuster nach außen bahnen. In einer anderen Ausführungsform kann das FSS-Werkzeug in einem quadratischen oder rechteckigen Muster verfahren und sich seinen Weg am Metallgegenstand nach innen oder außen bahnen. Andere Verfahrwege sind möglich.The FSS tool can be used in multiple friction paths. For example, the FSS tool may be moved along linear paths on the metal object in one direction or in two directions (i.e., back and forth). In another embodiment, the FSS tool may begin in the center and make its way outward in a spiral pattern. In another embodiment, the FSS tool may travel in a square or rectangular pattern and make its way inward or outward on the metal article. Other travel paths are possible.

Das FSS kann vor oder nach spanenden Bearbeitungsvorgängen am Metallgegenstand stattfinden. Der Metallgegenstand kann eine beliebige Form oder Größe haben, und kann eine Platte, eine Stange, ein Stab, ein Rohr oder von anderen Formen sein. Das FSS kann an einer beliebigen Oberflächenform, beispielsweise planen oder flachen Oberflächen, gekrümmten Oberflächen oder Kombinationen aus gekrümmt und flach stattfinden.The FSS can take place before or after machining operations on the metal object. The metal article may be of any shape or size, and may be a plate, a rod, a rod, a tube, or other shapes. The FSS can take any surface shape, such as plan or flat surfaces, curved surfaces, or combinations of curved and flat.

Der FSS unterzogene Gegenstand kann aus Metalllegierungen gebildet sein, die Aluminiumlegierungen (2xxx-, 3xxx-, 5xxx-, 6xxx- und 7xxx-Reihen von Legierungen), insbesondere meerwassertaugliche Aluminiumlegierungen (5xxx- und 6xxx-Reihen), Titanlegierungen, Stahllegierungen wie etwa rostfreien Stahl und andere enthalten, aber nicht darauf beschränkt sind.The article subjected to FSS may be formed of metal alloys containing aluminum alloys (2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx and 7xxx series of alloys), especially marine grade aluminum alloys (5xxx and 6xxx series), titanium alloys, steel alloys such as stainless Steel and others include, but are not limited to.

Die sich ergebende mechanische FSS-Konversions-„Beschichtung“ ist deutlich dicker als herkömmliche Korrosionsschutzkonversionsbeschichtungen, beispielsweise 5 bis 10 mal dicker. Obwohl diese FSS-Beschichtungen dicker sind als herkömmliche chemische Konversionsbeschichtungen, sind sie integraler Bestandteil der Grundmetalle, welche die FSS-Beschichtungsrührzone umgeben und unter dieser liegen. Das Grundmetall und die FSS-Beschichtung haben sehr ähnliche, wenn nicht gar identische Wärmeeigenschaften. Deshalb besitzen die FSS-Beschichtungen einen Vorteil gegenüber herkömmlichen oberflächlichen Beschichtungen, d.h. es gibt kein Ablösungsproblem, an dem die herkömmlichen Beschichtungsprozesse für gewöhnlich leiden, und die dickeren FSS-Beschichtungen erbringen signifikant längere Nutzungsdauern in marinen und anderen korrosiven Umgebungen. The resulting mechanical FSS conversion "coating" is significantly thicker than conventional anti-corrosion conversion coatings, for example 5 to 10 times thicker. Although these FSS coatings are thicker than conventional chemical conversion coatings, they are an integral part of the base metals surrounding and underlying the FSS coating stirring zone. The base metal and the FSS coating have very similar, if not identical, thermal properties. Therefore, the FSS coatings have an advantage over conventional surface coatings, i. there is no peeling problem that conventional coating processes usually suffer from, and the thicker FSS coatings provide significantly longer service lives in marine and other corrosive environments.

Die mechanische FSS-Konversions-„Beschichtung“ ist umweltfreundlich, da keine separaten Beschichtungsmaterialien verwendet werden. Weil der FSS-Prozess den Großteil der Präzipitate aufgelöst oder minimiert hat, enthält die mechanische FSS-Konversions-„Beschichtung“ weniger und kleinere Präzipitate und sauberere Korngrenzen, ohne auf das Wärmeverhalten oder andere Materialeigenschaften des Metallgegenstands Einfluss zu nehmen.The mechanical FSS conversion "coating" is environmentally friendly as no separate coating materials are used. Because the FSS process has dissolved or minimized most of the precipitates, the mechanical FSS conversion "coating" contains less and smaller precipitates and cleaner grain boundaries without affecting the thermal behavior or other material properties of the metal article.

In einer beispielhaften Anwendung kann der FSS-Prozess an einem Gegenstand eingesetzt werden, der zur Verwendung in Wasser, einschließlich Salzwasser, Brackwasser und Süßwasser, bestimmt ist. Beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, kann es sich bei dem Metallgegenstand um einen Gegenstand handeln, der in einer Meerwärmeenergieumwandlungsanlage, einer Entsalzungsanlage oder einem Hochseefahrzeug verwendet wird. Während seines beabsichtigten Gebrauchs kann der Gegenstand unter Wasser, auf dem Wasser, über dem Wasser, aber dem Wasser ausgesetzt (d.h. Spritzern, Salznebel oder anderen marinen Schichtumgebungen) oder einer Kombination aus diesen angeordnet sein. Der FSS-Prozess kann an einem Teil oder der gesamten Fläche des Metallgegenstands durchgeführt werden, der im Gebrauch dem Wasser und/oder der Meeresumgebung ausgesetzt ist.In an exemplary application, the FSS process may be employed on an article intended for use in water, including saltwater, brackish water, and freshwater. By way of example, but not limited to, the metal article may be an article used in a marine thermal energy conversion plant, a desalination plant, or a marine vessel. During its intended use, the article may be placed under water, on the water, above the water, but exposed to water (i.e., splashes, salt spray, or other marine stratified environments), or a combination thereof. The FSS process may be performed on part or all of the surface of the metal article that is exposed to the water and / or marine environment in use.

Der FSS-Prozess kann zusammen mit FSW verwendet werden, um eine Unterwasserstruktur zu erzeugen, die aus einem einzelnen Metallmaterial besteht. Beispielweise kann in einem Meerwärmeenergieumwandlungssystem (OTEC – ocean thermal energy conversion) der Wärmetauscher einschließlich der Hülle, der Platten und Rohrleitungen vollständig aus einer Aluminiumlegierung bestehen, wodurch die Verwendung unterschiedlicher Metalle oder einer galvanischen Kopplung entfällt.The FSS process can be used with FSW to create an underwater structure that consists of a single metal material. For example, in a marine thermal energy conversion (OTEC) system, the heat exchanger, including the shell, plates and tubing, may be made entirely of aluminum alloy, eliminating the use of dissimilar metals or galvanic coupling.

In einer Ausführungsform beinhaltet ein Oberflächenrührreibprozess ein Rührreibschweißwerkzeug, um zumindest einen Teil einer nicht zusammengefügten oder einer FSWzusammengefügten Oberfläche eines Metallgegenstands mit einer Oberflächenrührreibung zu beaufschlagen. Diese Ausführungsform kann in einer beliebigen Kombination mit beliebigen der hier enthaltenen abhängigen Ansprüche verwendet werden, und die abhängigen Ansprüche können in einer beliebigen Kombination verwendet werden.In one embodiment, a surface stir friction process includes a friction stir welding tool for imparting surface stir friction to at least a portion of a non-assembled or FSW bonded surface of a metal article. This embodiment may be used in any combination with any of the dependent claims contained herein, and the dependent claims may be used in any combination.

In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Prozess das Beaufschlagen einer nicht zusammengefügten Oberfläche eines Metallgegenstands unter Verwendung eines Rührreibschweißwerkzeugs mit einer Oberflächenrührreibung. Diese Ausführungsform kann in einer beliebigen Kombination mit beliebigen der hier enthaltenen abhängigen Ansprüche verwendet werden, und die abhängigen Ansprüche können in einer beliebigen Kombination verwendet werden.In another embodiment, a process includes applying an unjoined surface of a metal article using a friction stir welding tool having surface friction friction. This embodiment may be used in any combination with any of the dependent claims contained herein, and the dependent claims may be used in any combination.

In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit eines Metallgegenstands das Beaufschlagen zumindest eines Teils einer nicht zusammengefügten oder einer FSW-zusammengefügten Oberfläche eines Metallgegenstands unter Verwendung eines Rührreibschweißwerkzeugs mit einer Oberflächenrührreibung, um eine mechanische Konversionsbeschichtung zu erzeugen. Diese Ausführungsform kann in einer beliebigen Kombination mit beliebigen der hier enthaltenen abhängigen Ansprüche verwendet werden, und die abhängigen Ansprüche können in einer beliebigen Kombination verwendet werden.In another embodiment, a method of increasing the corrosion resistance of a metal article includes applying at least a portion of a non-assembled or FSW-joined surface of a metal article using a friction stir welding tool having surface friction friction to produce a mechanical conversion coating. This embodiment may be used in any combination with any of the dependent claims contained herein, and the dependent claims may be used in any combination.

Zeichnungendrawings

Die 1A bis 1D stellen einen Teil eines Gegenstands dar, wobei dessen Oberfläche FSS unterzogen wird.The 1A to 1D represent a part of an object, the surface of which is subjected to FSS.

2 stellt einen Teil eines Gegenstands dar, wobei dessen Oberfläche separat von einer FSW-Naht am Gegenstand FSS unterzogen wird. 2 represents a part of an article, the surface of which is subjected separately to a FSW seam on the article FSS.

Die 3A bis 3C sind Seitenansichten, die ein anderes Beispiel von FSS an einem Gegenstand zusammen mit einer Bearbeitung nach FSS darstellen.The 3A to 3C are side views illustrating another example of FSS on an object along with an FSS edit.

4 ist eine Stirnansicht eines Rohrs, das durch FSS bearbeitet wurde, und zeigt die mechanische FSS-Konversions-„Beschichtung“. 4 is an end view of a tube that has been processed by FSS and shows the mechanical FSS conversion "coating".

Die 5A bis 5B stellen ein FSS-Beispiel der gesamten Dicke eines Gegenstands dar.The 5A to 5B represent an FSS example of the total thickness of an object.

Die 6A bis 6C stellen einen Prozess zum Ausbilden von FSS-Rohren dar.The 6A to 6C illustrate a process for forming FSS pipes.

Die 7A bis 7B stellen einen alternativen Prozess zum Ausbilden von FSS-Rohren dar.The 7A to 7B represent an alternative process for forming FSS pipes.

Die 8A bis 8C stellen Beispiele verschiedener FSS-Rohrformen und FSS-Rohroberflächen dar, die ausgebildet werden können.The 8A to 8C Examples of different FSS pipe shapes and FSS pipe surfaces that can be formed.

Die 9A bis 9C stellen Beispiele von FSS-Gegenständen dar, die mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen versehen sind.The 9A to 9C Examples of FSS articles provided with various surface treatments.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Die folgende Beschreibung beschreibt einen Prozess, der einen FSS-Prozess an der Oberfläche eines Metallgegenstands einsetzt. Das FSS findet an einem Teil oder der gesamten Oberfläche des Metallgegenstands, über einen Teil oder die gesamte Dicke des Gegenstands statt. Der Metallgegenstand kann eine FSW-Schweißnaht oder mehrere FSW-Schweißnähte haben, oder kann keine FSW-Schweißnähte haben. Der FSS-Prozess erzeugt an der Oberfläche eine korrosionsbeständige, mechanische Konversions-„Beschichtung“ am Gegenstand, die im Folgenden nur als „Beschichtung“ bezeichnet wird. Die „Beschichtung“ ist durch die Dicke des Materials des Gegenstands gebildet, der FSS-bearbeitet wurde, die durch die Eindringtiefe des rotierenden Werkzeugs bestimmt ist, das im FSS-Prozess verwendet wird.The following description describes a process that uses an FSS process on the surface of a metal article. The FSS takes place on part or all of the surface of the metal article, over part or all of the article's thickness. The metal article may have one FSW weld or multiple FSW welds, or may not have FSW welds. The FSS process creates a corrosion-resistant, mechanical conversion "coating" on the article, hereinafter referred to as "coating". The "coating" is formed by the thickness of the material of the article that has been FSS machined, which is determined by the penetration depth of the rotating tool used in the FSS process.

Der FSS-Prozess ist FSW insofern ähnlich, als ein rotierendes Werkzeug verwendet wird, um das Metallmaterial zu erweichen oder zu plastifizieren. Allerdings findet FSS über die Oberfläche des Metallgegenstands hinweg statt und nicht an einer Verbindung zwischen zwei Gegenständen wie bei FSW, und wird nicht dazu verwendet, zwei Gegenstände miteinander zu verbinden.The FSS process is similar to FSW in that a rotating tool is used to soften or plasticize the metal material. However, FSS takes place over the surface of the metal object and not at a junction between two objects as in FSW, and is not used to connect two objects together.

Nun ist mit Bezug auf die 1A bis 1D ein Teil eines Metallgegenstands 10 dargestellt, der FSS unterzogen wird. Der Gegenstand 10 weist eine Oberfläche 12 auf, die plan oder gekrümmt sein kann. Ein FSS-Werkzeug 14 wird zum Durchführen von FSS an der Oberfläche 12 verwendet. In diesem Beispiel kann das FSS-Werkzeug 14 vom Aufbau und Betrieb her einem herkömmlichen FSW-Werkzeug identisch sein, das zum Ausbilden einer FSW-Schweißnaht verwendet wird, oder kann einem herkömmlichen FSW-Werkzeug ähnlich, aber von der Größe her zur Verwendung bei der größeren Oberfläche 12, die FSS unterzogen wird, größer ausgelegt sein.Well, with respect to the 1A to 1D a part of a metal object 10 presented subjected to FSS. The object 10 has a surface 12 on, which can be flat or curved. An FSS tool 14 is used to perform FSS on the surface 12 used. In this example, the FSS tool can 14 may be identical in construction and operation to a conventional FSW tool used to form an FSW weld, or may be similar to a conventional FSW tool, but sized for use with the larger surface area 12 that is subjected to FSS, be designed larger.

Wie den durchschnittlichen Fachleuten auf dem Gebiet klar sein wird, dreht sich das FSS-Werkzeug 14 mit hohen Drehzahlen, während es mit der Oberfläche des Gegenstands in Kontakt ist. Das Werkzeug 14 erweicht oder plastifiziert das Metallmaterial bis zu einer Tiefe, die durch die Eindringtiefe des Werkzeugs in die Oberfläche 12 des Gegenstands bestimmt wird. Sobald das Werkzeug das Metall passiert, rührt es das Metall hinter dem Dornwerkzeug und verfestigt es unter der Werkzeugschulter. Die sich ergebende Oberflächen-„Beschichtung“ besteht aus dem Metall mit sehr feinen gleichachsigen Körnern. Dieser Vorgang findet insgesamt im Festkörperzustand statt, da kein Schmelzen während des FSS-Prozesses auftritt.As will be clear to the average person skilled in the field, the FSS tool turns 14 at high speeds while in contact with the surface of the article. The tool 14 softens or plasticizes the metal material to a depth due to the depth of penetration of the tool into the surface 12 of the object. Once the tool passes the metal, it stirs the metal behind the mandrel tool and solidifies it under the tool shoulder. The resulting surface "coating" consists of the metal with very fine equiaxed grains. This process takes place overall in the solid state, since no melting occurs during the FSS process.

In diesem Beispiel wird das FSS-Werkzeug 14 in der durch den Pfeil in 1B gezeigten Verfahrrichtung 15 entlang der Oberfläche 12 bewegt, um eine FSS-Zone 16 zu erzeugen (die FSS-Zone 16 ist in den 1B und 1D in Strichlinien dargestellt). Wie in 1C gezeigt ist, wird das Werkzeug 14, nachdem jeder Weg abgeschlossen wurde, in der Richtung des Pfeils verschoben (oder der Gegenstand wird in Bezug auf das Werkzeug verschoben), um einen neuen FSS-Weg abzuschließen. Dieser Prozess wird für die gesamte Oberfläche des Gegenstands 10 mit Ausnahme der Ränder, wie in 1D angegeben, oder nur einen Teil der Oberfläche wiederholt.This example becomes the FSS tool 14 in the direction indicated by the arrow in 1B shown direction of travel 15 along the surface 12 moved to an FSS zone 16 to generate (the FSS zone 16 is in the 1B and 1D shown in dashed lines). As in 1C shown is the tool 14 After each path has been completed, move in the direction of the arrow (or move the object relative to the tool) to complete a new FSS path. This process is for the entire surface of the object 10 except for the margins, as in 1D specified, or only a part of the surface repeated.

Das FSS beginnt, indem das FSS-Werkzeug in den Gegenstand in 1A versenkt und „nach Norden“ entlang der langen Achse des Gegenstands verschoben und dann gestoppt wird, bevor das Werkzeug das Ende des Gegenstands erreicht. Das FSS-Werkzeug kann dann zurück zur ursprünglichen Ausgangsposition verschoben und über eine ausreichende Distanz versetzt werden, um sicherzustellen, dass eine hinreichende Überdeckung mit den FSS-Zonen erzielt wird. Das FSS-Werkzeug wird dann erneut entlang des Gegenstands „nach Norden“ verschoben und der Verschiebevorgang wiederholt, bis der gesamte Gegenstand mit FSS-Zonen überdeckt ist. Alternativ kann das Werkzeug am Ende jedes Wegs stoppen und sich dann verschieben, wobei das Werkzeug immer noch eine Belastung anlegt und sich dreht. Das Werkzeug kann dann damit beginnen, sich entlang des Gegenstands „nach Süden“ zu bewegen und dabei die vorherige FSS-Zone überdecken. Das Werkzeug kann weiterhin vor und zurück schweißen, wobei es sich am Ende jedes Durchlaufs verschiebt, bis das gesamte Blech mit Ausnahme der Ränder FSS-bearbeitet ist. Andere Werkzeugverfahrmuster sind möglich, sie beinhalten Quadrat-, Rechteck- oder Spiralmuster, sind aber nicht darauf beschränkt.The FSS starts by placing the FSS tool in the object 1A sunk and "north" along the long axis of the object moved and then stopped before the tool reaches the end of the object. The FSS tool can then be moved back to its original home position and offset a sufficient distance to ensure that sufficient coverage is achieved with the FSS zones. The FSS tool is then moved again along the article "north" and the shifting is repeated until the entire article is covered with FSS zones. Alternatively, the tool may stop at the end of each path and then shift, with the tool still loading and rotating. The tool can then begin to move "south" along the object, covering the previous FSS zone. The tool can continue to weld back and forth, shifting at the end of each pass until the entire sheet except for the edges is FSS machined. Other tool trajectories are possible, including, but not limited to, square, rectangle, or spiral patterns.

Es ist anzumerken, dass der FSS-Prozess auf der Oberfläche 12 an von beliebigen FSW-Nähten separaten Stellen eingesetzt wird. In dem in den 1A bis 1D dargestellten Beispiel weist der Gegenstand 10 keine FSW-Nähte auf.It should be noted that the FSS process on the surface 12 is used at separate locations from any FSW seams. In the in the 1A to 1D illustrated example, the subject 10 no FSW seams on.

2 stellt eine Ausführungsform dar, in welcher der Gegenstand 10′ durch zwei zunächst getrennte Abschnitte 18a, 18b gebildet ist, die entlang einer FSW-Schweißzone oder Naht 20 durch einen herkömmlichen FSW-Prozess miteinander verbunden wurden. In dieser Ausführungsform wird das Werkzeug 14 über Bereiche der Oberfläche 12′ quer verfahren, um die FSS-Zone(n) 16 an von der FSW-Zone 20 separaten Stellen zu bilden. 2 represents an embodiment in which the article 10 ' by two initially separate sections 18a . 18b is formed along an FSW weld zone or seam 20 connected by a conventional FSW process. In this embodiment, the tool 14 over areas of the surface 12 ' move transversely to the FSS zone (s) 16 on from the FSW zone 20 to form separate posts.

Die 3A bis 3C zeigen Querschnittsansichten eines Gegenstands 30, der durch FSS bearbeitet wurde, wobei 3A einen FSS-Durchlauf und 3B mehrere Durchläufe zeigt. Die Eindringtiefe des FSS-Werkzeugs 14 bestimmt die sich ergebende Tiefe der „Beschichtung“. Mit Bezug auf 3B ist zu sehen, dass mehrere Durchläufe des FSS-Werkzeugs 14 eine Überdeckung haben, die ausreicht, dass die sich ergebenden Rührzonen (oder rührreibbearbeiteten (FSP) Zonen) eine übereinstimmende Tiefe „D“ über den gesamten Gegenstand 30 hinweg haben, um die sich ergebende FSS-„Beschichtung“ 32 zu bilden. Die FSS-„Beschichtung“ 32 stellt eine korrosionsbeständige Sperre dar, die deutlich dicker ist, beispielsweise 5 bis 10 mal dicker, als herkömmliche Korrosionsschutzkonversionsbeschichtungen.The 3A to 3C show cross-sectional views of an object 30 which was edited by FSS, where 3A an FSS run and 3B shows several runs. The penetration depth of the FSS tool 14 determines the resulting depth of the "coating". Regarding 3B you can see that several passes of the FSS tool 14 have a coverage sufficient that the resulting stirring zones (or friction stir (FSP) zones) have a matching depth "D" over the entire article 30 to have the resulting FSS "coating" 32 to build. The FSS "coating" 32 represents a corrosion resistant Barrier, which is significantly thicker, for example, 5 to 10 times thicker than conventional corrosion protection conversion coatings.

Nach dem Durchführen des FSS können die Oberflächen des Gegenstands, falls gewünscht, spanend bearbeitet, schlaggefräst, sandgestrahlt, geschliffen und/oder poliert werden, um beispielsweise die Oberfläche zu glätten. In einer Ausführungsform stellt 3C dar, dass die obere Oberfläche der überdeckten Rührzonen spanend bearbeitet werden kann, um beispielsweise einen Teil der Dicke unter Verwendung einer geeigneten Schneidvorrichtung wie etwa eines Fräsaufsatzes, eines Schlagfräsers, einer Oberfräse etc. abzutragen. Falls Spaltkorrosion nicht von Belang ist, kann der Bearbeitungsschritt ausgelassen werden.After performing the FSS, the surfaces of the article may, if desired, be machined, impact milled, sandblasted, ground, and / or polished, for example, to flatten the surface. In one embodiment 3C in that the top surface of the overlapped stirring zones may be machined to remove, for example, a portion of the thickness using a suitable cutting device such as a milling attachment, a face mill, a router, etc. If crevice corrosion is not relevant, the processing step can be omitted.

Der FSS-Prozess kann an Gegenständen mit einer beliebigen Form oder an Gegenstandsoberflächen mit einer beliebigen Form erfolgen. 4 stellt einen hohlen, zylindrischen Gegenstand oder ein Rohr 40 mit einem hohlen Innenraum 42 und einer Wanddicke T dar, die sich von einer Innenoberfläche 44 zu einer Außenoberfläche 46 erstreckt. FSS erfolgt an der Außenfläche 46 bis zu einer Tiefe D, um die FSS-„Beschichtung“ 48 zu bilden. FSS kann auch an der Innenoberfläche 44 erfolgen.The FSS process can be performed on objects of any shape or object surfaces of any shape. 4 represents a hollow cylindrical object or pipe 40 with a hollow interior 42 and a wall thickness T, extending from an inner surface 44 to an outer surface 46 extends. FSS takes place on the outer surface 46 to a depth D to the FSS "coating" 48 to build. FSS can also work on the inside surface 44 respectively.

Die FSS-„Beschichtung“ 32 kann allgemein eine konstante Tiefe am Gegenstand haben, oder die Tiefe der Beschichtung kann variieren. Beispielsweise ist mit Bezug auf die 5A und 5b eine Seitenansicht eines Gegenstands 50 dargestellt, wobei der Gegenstand über die gesamte Dicke oder Tiefe D des Gegenstands 50 durch FSS bearbeitet wurde, was in manchen Anwendungen von Vorteil sein kann. In einer Ausführungsform kann ein herkömmliches FSW-Werkzeug, wobei die Dornlänge mit der Dicke des Gegenstands vergleichbar ist, verwendet werden, um ein FSS über die volle Dicke zu erreichen. In einer anderen Ausführungsform, die in 5B dargestellt ist, handelt es sich bei dem FSS-Werkzeug 52 um ein selbstreagierendes FSS-Werkzeug mit einer oberen Schulter 54, einer unteren Schulter 56 und einem unabhängigen Dorn 58, der sich zwischen den Schultern 54, 56 erstreckt. Der Dorn 58 liegt zwischen den Schultern 54, 56 frei, die um einen Abstand voneinander getrennt sind, der in etwa gleich der Dicke des Gegenstands 50 ist, um eine FSS-Bearbeitung über die volle Dicke zu erreichen.The FSS "coating" 32 may generally have a constant depth of the article, or the depth of the coating may vary. For example, with respect to the 5A and 5b a side view of an object 50 represented, wherein the article over the entire thickness or depth D of the article 50 FSS, which may be beneficial in some applications. In one embodiment, a conventional FSW tool, wherein the mandrel length is comparable to the thickness of the article, may be used to achieve FSS across the full thickness. In another embodiment, in 5B is shown, it is the FSS tool 52 a self-acting FSS tool with an upper shoulder 54 , a lower shoulder 56 and an independent thorn 58 that is between the shoulders 54 . 56 extends. The thorn 58 lies between the shoulders 54 . 56 free, separated by a distance of approximately equal to the thickness of the object 50 is to achieve full thickness FSS processing.

Die 6A bis 6C stellen einen Rohrausbildungsprozess dar, der FSS einsetzt. Beginnend mit 6A wird eine Platte 60, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, über die gesamte Dicke der Platte vollständig FSS-bearbeitet und, falls gewünscht, wie vorstehend erörtert maschinell abgetragen. Wie in 6B gezeigt ist, wird die Platte 60 dann in Streifen 62a, 62b, ..., 62n geschnitten, um die nicht FSS-bearbeiteten Ränder 64 zu entfernen. Mit Bezug auf 6C wird jeder Streifen dann zu einem Rohr 65 aufgerollt, und die Ränder werden entlang der Naht 64′ zusammengefügt.The 6A to 6C represent a tube education process using FSS. Starting with 6A becomes a plate 60 of aluminum alloy, for example, fully FSS machined throughout the thickness of the board and, if desired, machined as discussed above. As in 6B shown is the plate 60 then in strips 62a . 62b , ..., 62n cut to the non FSS-machined edges 64 to remove. Regarding 6C then each strip becomes a tube 65 rolled up, and the edges are along the seam 64 ' together.

Die Ränder können unter Verwendung jedes geeigneten Fügeprozesses verbunden werden. In einer Ausführungsform können die Ränder unter Verwendung eines auf dem Gebiet bekannten Hochfrequenzwiderstandsschweißprozesses verbunden werden. Das Ergebnis ist ein Rohr 65, das sowohl an den Innen- als auch Außenoberflächen FSS-bearbeitet ist. Alternativ können die Ränder, wie in den 7A–7B gezeigt, unter Verwendung eines herkömmlichen FSW-Prozesses mit einem FSW-Werkzeug 66 verbunden werden, um ein vollständig FSS- und FSW-bearbeitetes Rohr 68 zu schaffen, bei dem Korrosion auf sowohl den Innen- als auch Außenoberflächen minimiert oder beseitigt ist. Alternativ können die Ränder unter Verwendung einer ersten Art Prozess, zum Beispiel einem Schweißprozess wie etwa Elektrowiderstands- oder Laserschweißen verbunden und dann die verbundenen Ränder die Naht hinab FSW-bearbeitet werden, um ein vollständig FSS- und FSW-bearbeitetes Rohr zu schaffen, bei dem Korrosion auf sowohl den Innen- als auch Außenoberflächen minimiert oder beseitigt ist.The edges may be joined using any suitable joining process. In one embodiment, the edges may be joined using a high frequency resistance welding process known in the art. The result is a tube 65 which is FSS machined on both the inside and outside surfaces. Alternatively, the edges, as in the 7A - 7B shown using a conventional FSW process with a FSW tool 66 be connected to a completely FSS and FSW-machined tube 68 to minimize or eliminate corrosion on both the inside and outside surfaces. Alternatively, the edges may be joined using a first type of process, for example, a welding process such as electric or laser welding, and then FSW-machined down the seams of the joined edges to provide a fully FSS and FSW machined tube, in which Corrosion on both the inside and outside surfaces is minimized or eliminated.

Die 8A–8C stellen Beispiele von FSS-Rohrformen und FSS-Rohroberflächen dar, die unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Prozesse und technischen Vorgehensweisen ausgebildet werden können. Diese Beispiele stellen dar, dass der in den 6A bis 6C und 7A bis 7B beschriebene Prozess dazu verwendet werden kann, Rohre mit verschiedenen Formen und Oberflächenveredelungen auszubilden. Die Oberflächenveredelungen können vor oder nach dem Zerschneiden zu Streifen hinzugefügt werden. Zusätzlich können die Oberflächenveredelungen an einem Teil oder an der gesamten Außenoberfläche oder an einem Teil oder der gesamten Innenoberfläche des sich ergebenden Rohrs vorhanden sein. Jedoch sind die Oberflächenveredelungen nicht auf eine Verwendung an Rohren beschränkt und können an jedem Metallgegenstand bereitgestellt werden, welcher der hier beschriebenen FSS-Bearbeitung unterzogen wird.The 8A - 8C illustrate examples of FSS tube shapes and FSS tube surfaces that can be formed using the processes and techniques described above. These examples represent that in the 6A to 6C and 7A to 7B described process can be used to form tubes with different shapes and surface finishes. The surface finishes can be added to strips before or after cutting. In addition, the surface finishes may be present on a part or all of the outer surface or on part or all of the inner surface of the resulting tube. However, the surface finishes are not limited to use on pipes and may be provided on any metal article subjected to the FSS processing described herein.

Die Oberflächenveredelungen können dazu bestimmt sein, das Wärmeverhalten, wie etwa den Wärmeaustausch, der Rohre oder des Metallgegenstands zu steigern oder irgendeine andere Eigenschaft zu verbessern. Die Oberflächenveredelungen können auf eine beliebige Weise ausgebildet werden, die spanendes Bearbeiten, Prägen, chemisches Ätzen und dergleichen beinhaltet, aber nicht darauf beschränkt ist.The surface finishes may be designed to increase the thermal behavior, such as the heat exchange, the tubes or the metal article, or to improve some other property. The surface finishes may be formed in any manner including, but not limited to, machining, embossing, chemical etching, and the like.

8A zeigt ein zylindrisches Rohr 80. Die Außenoberfläche des Rohrs 80 ist auch mit Rillen oder Wellungen 82 versehen, die maschinell in das Metall eingearbeitet wurden, nachdem das Metall FSS-bearbeitet wurde. 8A shows a cylindrical tube 80 , The outer surface of the pipe 80 is also with grooves or curls 82 which were machined into the metal after the metal was FSS machined.

8B zeigt ein trapezförmiges Rohr 84, bei dem in einen Teil oder die gesamte Außenoberfläche Rillen 86 eingearbeitet sind. In dieser Ausführungsform sind auch in einen Teil oder die gesamte Innenoberfläche Rillen 88 eingearbeitet. 8B shows a trapezoidal tube 84 in which grooves in part or all of the outer surface 86 are incorporated. In this embodiment, grooves are also in a part or the entire inner surface 88 incorporated.

8C zeigt ein rechteckförmiges Rohr 90, bei dem in einen Teil oder die gesamte Außenoberfläche Rillen 92 eingearbeitet sind. In dieser Ausführungsform sind auch in einen Teil oder die gesamte Innenoberfläche Rillen 94 eingearbeitet. 8C shows a rectangular tube 90 in which grooves in part or all of the outer surface 92 are incorporated. In this embodiment, grooves are also in a part or the entire inner surface 94 incorporated.

Die 9A bis 9C stellen Beispiele verschiedener Oberflächenbehandlungen dar, die auf den Oberflächen (Innen- und/oder Außenoberflächen) der Rohre oder anderer Metallgegenstände bereitgestellt werden können, die FSS-bearbeitet wurden. Die 9A bis 9C stellen verschiedene geprägte Oberflächenbehandlungen dar, die auf eine beliebige Weise ausgebildet werden können, die spanendes Bearbeiten, Prägen, chemisches Ätzen und dergleichen beinhaltet, aber nicht darauf beschränkt ist.The 9A to 9C Examples of various surface treatments that may be provided on the surfaces (inner and / or outer surfaces) of the tubes or other metal articles that have been FSS-machined. The 9A to 9C show various embossed surface treatments which may be formed in any manner including, but not limited to, machining, embossing, chemical etching, and the like.

Der FSS-Prozess ist besonders an Gegenständen nützlich, die in marinen Anwendungen und in Anwendungen verwendet werden, die auf Wasser, speziell Salzwasser treffen. Beispielhafte Anwendungen beinhalten Wärmetauscher, die in Entsalzungsanlagen oder OTEC-Anlagen verwendet werden, Kondensatoren in Kraftwerksanlagen und andere Kühlund Flüssigkeit/Flüssigkeit- oder Flüssigkeit/Luft-Wärmeabgabeaustauschanwendungen, sind aber nicht darauf beschränkt. Der FSS-Prozess kann auch für Bauteile von Vorteil sein, die auf Schiffen oder anderen Hochseefahrzeugen oder -flugzeugen, an der Oberfläche, in der Luft oder unter Wasser verwendet werden, beispielsweise Rümpfe, Decks, Rotorbauteile etc.The FSS process is particularly useful on objects used in marine applications and applications that encounter water, especially saltwater. Exemplary applications include, but are not limited to, heat exchangers used in desalination plants or OTEC plants, power plant plant capacitors, and other cooling and liquid / liquid or liquid / air heat exchange applications. The FSS process may also be beneficial for components used on ships or other off-board vehicles or aircraft, on the surface, in the air, or underwater, such as hulls, decks, rotor components, etc.

Die in dieser Anmeldung offenbarten Beispiele sind in allen Hinsichten als illustrativ und nicht einschränkend anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung ist vielmehr in den beigefügten Ansprüchen als in der vorstehenden Beschreibung angegeben; und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen darin umfasst sein.The examples disclosed in this application are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the invention is indicated in the appended claims rather than in the foregoing description; and all changes that fall within the meaning and range of equivalency of the claims are intended to be embraced therein.

Claims

A method of increasing the corrosion resistance of a surface of a metal article, comprising: Surface rubbing at least a portion of an unattached surface of the metal article using a friction stir welding tool to produce a mechanical conversion coating.

A method according to claim 1, comprising surface rubbing the entire surface of the metal article exposed in its intended use to water, a marine environment or a corrosive environment.

The method of claim 1 further comprising, after surface stirring, machining, beating, sandblasting, grinding or polishing the surface-touched portion of the surface.

The method of claim 1, wherein the metal article is formed of a single metal material.

The method of claim 1, wherein the disassembled surface of the metal article is a substantially flat and planar surface.

The method of claim 1, wherein the unjoined surface of the metal article is a curved or non-flat surface.

The method of claim 1, wherein the metal article has both curved and flat surfaces.

The method of claim 1, wherein the metal article is a plate, a rod, a rod or a tube.

The method of claim 1, wherein the metal article is fully imparted with surface rubbing and the surface rubbing penetrates the entire thickness of the metal article.

The method of claim 4, wherein the single metal material comprises an aluminum alloy, a titanium alloy or stainless steel.

The method of claim 10, wherein the aluminum alloy comprises a seaworthy aluminum alloy.

The method of claim 2, wherein the metal article is an article used in a marine thermal energy conversion plant, a desalination plant, or a deep-sea vehicle or aircraft.

The method of claim 2, wherein the metal article is a heat exchanger used in a marine heat energy conversion plant.

The method of claim 9, wherein the metal article is machined, stamped or machined to produce surface finishes on at least one of its surfaces.

The method of claim 9 or 14, wherein the metal article is cut into strips.

The method of claim 15, wherein each of the strips is formed into a tubular article after cutting.

The method of claim 16 wherein abutting edges of the tubular article formed by the strip are friction stir welded down the seam to produce a fully surface friction friction stir friction welded tube.

The method of claim 16, wherein abutting edges of the tubular article formed by the strip are joined together along a seam.

The method of claim 18, wherein the mated edges are friction stir welded along the seam to produce a fully surface-rubbed and friction stir welded tubular article.