[发明专利]用于摩擦搅拌焊接的工具组件

说明书

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。

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。