[发明专利]用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制

说明书

相关申请

本发明本申请要求授予Kenneth Alec Ross和Carl D.Sorensen的提交于2012年3月30日的标题为“TORQUE MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING”(用于摩擦搅拌操作的过程控制的力矩调制)的美国临时申请61/618,266和授予Kenneth A.Ross等人的提交于2013年2月27日的标题为“EFFORT MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING”(用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制)的美国临时申请61/769,920的优先权。上述申请中的每一个全文以引用方式并入本文中。

背景技术

技术领域：本发明整体涉及摩擦搅拌操作，诸如摩擦搅拌焊接(FSW)、摩擦搅拌处理(FSP)、摩擦搅拌混合(FSM)、摩擦堆焊、摩擦液柱成形、摩擦搅拌成型、摩擦挤出和摩擦搅拌点焊(FSSW)(在下文中统称为“摩擦搅拌操作”)。更具体地讲，本发明涉及控制算法的使用，该算法利用对作用力(例如，力矩)的控制来改善对摩擦搅拌操作的控制。

相关领域说明：摩擦搅拌焊接是已经开发出的用于焊接金属和金属合金的技术。FSW处理通常涉及通过旋转搅拌销轴在接头的任一侧接合两个邻接工件的材料。施加力以迫使销轴和工件在一起，并且由销轴、肩部和工件之间的相互作用而产生的摩擦热导致接头任一侧的材料的塑化。销轴和肩部的组合或“FSW顶端”沿着接头横越，在其前进时使材料塑化，并且留在前进的FSW顶端的尾迹中的塑化材料冷却以形成焊缝。FSW顶端也可以是没有销轴而只有肩部的工具，用于通过FSP来处理另一种材料。

图1为正在用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图，其特征在于，大致圆柱形工具10具有柄部8、肩部12和从肩部向外延伸的销轴14。销轴14紧靠工件16旋转，直至产生足够的热，此时工具的销轴插入塑化的工件材料中。通常，销轴14插入工件16中，直至到达肩部12，肩部12防止进一步穿入工件中。工件16通常为在接合线18处对接在一起的两个片材或板材。在这个例子中，销轴14在接合线18处插入工件16中。

图2为典型工具10的剖视图，但不应被视为限制性的。轴环32被示出为紧握柄部8和FSW顶端24，其中FSW顶端包括肩部12和销轴14。当工具10旋转时，将力矩(即，作用力)从旋转的柄部8传递至轴环22，然后传递至FSW顶端24。

参见图1，由销轴14紧靠工件材料16的旋转运动产生的摩擦热使得工件材料在未达到熔点的情况下就被软化。工具10沿着接合线18横向移动，从而在塑化材料围绕销轴14从前缘流至后缘时形成焊缝。与使用其他常规技术的焊缝相比，结果是在接合线18处产生通常与工件材料16本身难以区分的固相粘结20。由于发生了混合，固相粘结20还可能优于初始工件材料16。另外，如果工件材料由不同的材料组成，则所得的混合材料也可优于两种初始工件材料中的任一种。

可以观察到，当肩部12接触工件的表面时，其旋转产生另外的摩擦热，该摩擦热使插入的销轴14周围的较大圆柱形柱材塑化。肩部12提供了锻造力，其包括由旋转的工具销轴14形成的向上的金属流。

在摩擦搅拌焊接过程中，待焊接的区域和工具10相对于彼此移动，使得工具横越期望的焊缝长度。旋转的摩擦搅拌焊接工具10提供连续的热加工作用，在它沿着工件材料16横向移动时使窄区内的金属塑化，同时将金属从销轴14的前缘传送至它的后缘。焊接区冷却时，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，所得的焊缝是在焊接区域内形成的无缺陷的、再结晶的细晶粒的微观结构，但不总是这样。

摩擦搅拌工具的行进速度取决于正在进行的摩擦搅拌操作的具体类型、应用和正在处理的材料。行进速度的一些例子为1m/min以上，其中旋转速率为200至3000rpm。这些速率仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的操作。达到的温度通常接近但低于固相线温度。摩擦搅拌焊接参数为材料的热性能、高温流动应力和穿透深度的函数。