[发明专利]用于通过多轴环组件在高温下夹紧工具材料的旋转保持装置

说明书

相关申请

本申请要求2008年8月11日提交的序列号为61/087,916的美国临时专利申请的优先权并且结合该申请的所有主题作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及摩擦搅拌焊(FSW)以及包括摩擦搅拌处理(FSP)、摩擦搅拌混合(FSM)和摩擦搅拌点焊(FSSW)的所有其变型(下文中统称为“摩擦搅拌焊”)。具体地，本发明涉及当将工具用在高熔融温度材料上产生过热时工具失效的问题，其中，轴环被用于将力矩从旋转的杆传递到摩擦搅拌焊末端，轴环失效导致FSW末端的失效。

背景技术

摩擦搅拌焊是已经被开发用于焊接金属和金属合金的技术。FSW处理通常涉及由旋转的搅拌销在接合处的任一侧接合两个邻接工件材料。施加力以便迫使销和工件在一起，并且由销、肩部和工件之间的相互作用造成的摩擦热导致接合处任一侧的材料的塑化。销和肩部的组合或“FSW末端”沿接合处穿过，在其前进的同时塑化材料，并且留在前进的FSW末端的尾流中的塑化的材料冷却以形成焊缝。FSW末端也可以是不带有销而仅带有肩部的工具，用于通过FSP来处理另一材料。

图1是被用于摩擦搅拌焊的工具的透视图，其特征在于，总体上柱状的工具10具有杆8、肩部12和从肩部向外延伸的销14。销14抵靠工件16转动直至产生足够的热量，在该点，工具的销插入塑化的工件材料内。通常，销14插入工件16内直至达到肩部12，其防止进一步穿入工件。工件16通常是两块片材或板材，它们在接合线18处对接在一起。在该示例中，销14在接合线18处插入工件16内。

图2是工具10的横截面图。轴环22被示出夹紧杆8和FSW末端24，其中，FSW末端包括肩部12和销14。当工具10被转动时，力矩从转动的杆8传递至轴环22然后到FSW末端24。当工具10被用在诸如钢之类的高熔融温度材料的工件上时，当FSW末端24转动同时穿过被摩擦热软化的钢时，其在很多情况下暴露到超过1000摄氏度的温度下。

在用于FSW的工具上或者在金属切削工业中的工具上使用轴环的技术设计的先前状态是使用单个轴环缩合式组件。在金属切削工业中，这种工具被用于高速度/高刚度旋转切削组件的操作。在金属切削工业中的工具依赖于轴环，该轴环在高温下松开工具并允许工具滑落，以使工具更换较为方便。因此，现有技术的设计不控制轴环组件的热膨胀以便适当地保持工具在400摄氏度以上。工具的双材料系统被设计成对于外部轴环材料具有较高的热膨胀率，但是仅为了更容易地更换工具的目的。

参照图1，销14抵靠工件材料16的旋转运动造成的摩擦热使工件材料在未达到熔点的情况下就被软化。沿接合线18横向地移动工具10，由此当塑化的材料围绕销从前沿向后沿流动时产生焊缝。与使用其它传统技术的焊接相比，结果是在接合线18处产生与工件材料16本身通常不能区分的固相结合20。

可以观察到，当肩部12与工件的表面接触时，其旋转产生另外的摩擦热，该摩擦热塑化在嵌入的销14周围的较大柱状柱材。肩部12提供了顶锻力，该顶锻力包括由工具销14造成的向上的金属流。

在摩擦搅拌焊过程中，待焊接的区域和工具相对彼此移动，使得工具穿过期望长度的焊缝接合处。旋转的摩擦搅拌焊工具10提供连续的热作业动作，其在沿基质金属横向地移动时塑化在窄区域内的金属，同时将金属从销14的前沿向它的后沿输送。当焊接区域冷却时，由于在工具10通过时不产生液体，所以通常不存在固化。通常情况下，所得到的焊接是在焊接区中形成的无缺陷的、再结晶的、细晶粒的微观结构，但不会总是这样。

行进速度通常为10到500mm/min，并伴随有200到2000rmp的旋转速度。所达到的温度通常接近但是低于固相线温度。摩擦搅拌焊参数是材料的热性能、高温流动应力和穿入深度的函数。

摩擦搅拌焊与熔焊相比具有以下几个优点：1)不存在填料金属，2)过程能够完全自动化，从而对操作者的技术水平的要求较低，3)由于所有的受热发生在工具/工件的界面处，所以能量输入效率高，4)由于FSW的固态特性和极大的可重复性，所以只需最少的焊后检查，5)FSW允许存在界面间隙并且因此所要求的焊前准备很少，6)不存在需要去除的焊接飞溅，7)焊后表面的光洁可格外地光滑，具有很少的或者没有毛刺，8)不存在气孔和氧污染，9)周围材料不变形或变形很小，10)由于不存在有害的排放物，所以无需对操作者进行保护，以及11)提高了焊接性能。在本文中，摩擦搅拌焊将被认为包括可用摩擦搅拌焊工具执行的所有过程，包括摩擦搅拌处理和摩擦搅拌混合。