将具有弧形表面的材料固定就位以用于摩擦搅拌焊接或加工的系统和方法技术方案

一种将摩擦搅拌加工材料固定就位在具有弧形表面的基层上以采用固态工艺将摩擦搅拌加工材料混合到曲面基层中的系统和方法，其中所述系统包括选择将摩擦搅拌加工材料结合至基层的多种机械装置中的一种，其使得所进行的摩擦搅拌加工是经济的、有效的和安全的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将具有弧形表面的材料固定就位以用于摩擦搅拌焊接或加 工的系统和方法
本专利技术一般涉及摩擦搅拌加工。更具体地，本专利技术是用于使用固态方法使摩擦搅 拌加工材料能够被混合在弧形基层中的方法和系统，其中所述方法公开了将摩擦搅拌加工 材料夹持或牢固地固定就位同时将其摩擦搅拌加工到弧形基层中的各种方法。
技术介绍
摩擦搅拌焊接（下文中FSW）是为了焊接金属和金属合金而开发的技术。FSW 方法通常涉及通过转动搅拌销或轴将两个邻接的工件啮合在接头的任一侧上。施加驱动力 迫使轴和工件靠在一起，并且由轴和工件之间的相互作用引起的摩擦热导致材料在接头的 任一侧上的塑化。轴沿着接头穿过，当其前进时将材料塑化，并且紧随前进的轴被塑化的材 料冷却以形成焊缝。 图1为用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图，其特征在于一般为圆柱形的工具10， 其具有肩部12和从肩部向外延伸的销14。销14相对于工件16转动直至产生充足热量，在 此点上的工具销被插入到塑化工件材料中。工件16通常为在接线18处对接在一起的两片 或两块材料板。销14在接线18处被插入工件16中。 由销14相对于工件材料16的旋转运动引起的摩擦热导致工件材料在没有达到熔 点的情况下软化。沿着接线18横切地移动工具10,由此随着塑化材料围绕销从前沿向尾端 流动时产生焊缝。结果是在接线18处的固相粘合20,与其它焊缝比较，其可能一般与工件 材料16本身是不易区别的。 可观察的是，当肩部12接触到工件的表面时，其转动产生附加的摩擦热量，该热 量将围绕被插入的销14的较大的圆形柱状物材料塑化。肩部12提供了包含由工具销14 导致的向上金属流动的锻造力。 在FSW期间，被焊接的区域和工具互相相对移动，使得工具穿过期望的长度的焊 缝。转动的FSW工具提供了连续的热加工作用，随着其横向沿着基底金属移动，在狭窄的区 域中将金属塑化，同时将金属从销的前面输送到其尾端。随着焊接区域冷却，由于随着工具 经过没有产生液体，一般不存在凝固。一般但不总是这样的情况，即得到的焊件是形成在焊 接区域内的无缺陷、再结晶的微晶粒的微观结构。 以前的专利文件教导了能够用以前认为是功能上不可焊接的材料来实施摩擦搅 拌焊接的优势。一些这样的材料为非融合可焊接的，或者只是难于完全焊接。这些材料包 括。例如金属基复合物、比如钢和不锈钢的铁合金，和有色材料。另一个也能利用摩擦搅拌 焊接的材料类别是超合金。超合金可以是具有较高熔化温度的青铜或铝的材料，并且可以 具有也混合在内的其它元素。一些超合金的实例为一般在大于1000度F的温度下使用的 镍、铁镍和钴基合金。通常在超合金中发现的附加元素包括但不限于铬、钥、钨、铝、钛、镍、 钽和铼。 注意到钛对于摩擦搅拌焊件也是期望的材料。钛是有色材料，但是具有比其它有 色材料更高的熔点。 以前的专利教导的是需要用比摩擦搅拌焊接的材料更高熔化温度的材料形成的 工具。在一些实施方案中，在工具中使用了超硬磨料。 本专利技术的实施方案一般涉及这些功能上不可焊接的材料，以及超合金，并且在下 文中贯穿该文件被称作高熔化温度材料（HMTM)。然而，本专利技术的原理也适用于低熔化温 度材料，比如被认为是部分高熔化温度材料的铝和其它金属和金属合金。 FSW技术中最近的进展产生了在摩擦搅拌焊接的固态接合加工期间能够用以将比 如钢和不锈钢的高熔化温度材料接合在一起的工具。 如前面所述阐述，该技术涉及使用特殊的摩擦搅拌焊接工具。图2示出了多晶立 方氮化硼（PCBN)的尖部30、锁环32、避免移动的热电偶固定螺钉34和柄部36。该工具的 其它设计也在专利技术人的现有技术中示出，并包括整体式工具和其它设计。 当使用该摩擦搅拌焊接工具时，其在各种材料的摩擦搅拌焊接中都有效。该工具 的设计当使用除了 PCBN和PCD(多晶金刚石）的各种工具尖部材料时也是有效的。一些这 些材料包括比如钨、铼、铱、钛、钥等的难熔材料。 专利技术人是开发与高熔化温度合金比如钢、不锈钢、镍基合金和很多其它金属一起 使用的摩擦搅拌焊接技术的领导者。该技术经常需要使用多晶立方氮化硼工具，液体冷却 工具固定器、温度获得系统和合适的设备从而具有可控制的摩擦搅拌焊接加工。 -旦该技术作为用于接合这些材料的更好方法被建立，MegaStir Technologies LLC公司就开始寻找能够很大地从该技术获益的应用。对于摩擦搅拌焊接（FSW)的一个最 大应用是接合比如管道的弧形表面。 将先进的高强度钢（AHSS)制成管道，因为需要较少材料，获得较高强度性能，并 且可以降低总管道成本。使用AHSS的困难在于使用传统的融合焊接方法。在产业中可以 接受的是每个管道的接合包括缺陷或裂纹。这些缺陷被接受，因为即使使用复杂的自动融 合焊接系统，其也不能被消除。焊接AHSS比现有的管道钢更加困难得多，因为材料的成分 固有地产生更多的融合焊接缺陷。 FSW现在已经成为接合管段的可行技术。已经开发了用于接合管段的摩擦搅拌焊 接机械。转动工具随着其产生摩擦热量而插入到接头中。一旦工具插入到工件的横截面中， 将工具围绕管道作圆周行进，同时接头被搅拌在一起。然后将FSW工具收回并且将机械 沿着管道移动到下一个管道接头从而进行摩擦搅拌焊接。 在HMTM的FSW期间的最近的一个观察结果为在加工期间围绕工具流动的材料可 能被改变，从而具有比被接合的基底材料更细的晶粒结构。在一些高熔化温度合金中该接 头性能可能被进一步提高，因为在被搅拌材料的温度下的非常短的加工时间可产生更快的 淬火和更高的硬度，一些在任何已知的热处理方法中不能获得的性能。这些观察结果已经 产生在下文中将被称作摩擦搅拌加工（FSP)的新技术。 特定的HMTM可以被摩擦搅拌加工，从而具有非常高的硬度和韧性，这是通过在 FSP期间同时改善晶粒结构和溶液硬化材料而获得的。对于该创新材料加工方法存在未授 权的专利以及在著名杂志中发表的文章，其描述了该专利技术背后的技术。FSP在石油和天然气 工业、原子能工业、汽车工业、航空工业和建筑工业中产生了极大兴趣，因为其可被用于极 大提高材料的硬度和韧性。在该技术之前，没有已知的方法在一种材料中同时获得这些性 能。例如，FSP可以产生具有碳化钨硬度的一种材料或材料的局部部分，同时保持低碳钢的 柔韧性。利用该技术被销售的商品的一个实例为FRICTION FORGED的手持刀片。该刀片 利用FSP技术并具有数据和出版物，以示出其怎样比世界上所有其它刀片更好的锋利度、 硬度和韧性。 已经开发了使用典型的FSW设备和工具作业方法的FSP。目前或用于研究或用于 生产的实现FSW的大多数设备一般为接合扁平截面。其一些实例包括船舶甲板、火车和地 面、热交换器和扁平面板接合。施加在FSW工具上的负载一般为轴向方向上的几吨和高达 轴向力的50%的横向工具驱动力。在与平直板材和平直截面的加工中，工件可以通过商业 上可得到的夹具来固定，该夹具可以被螺丝固定至桌子上。这些夹具可以或机械或液压紧 固。由于FSW是更像传统金属加工的机加工，这些传统夹具可很好工作。在一些情况下，需 要附加的夹具，因为对于具有更厚截面的FSW需要增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将材料固定在具有曲面的基层中并将所述材料摩擦搅拌加工到所述基层内的方法，所述方法包括：1)提供具有曲面的基层；2)提供摩擦搅拌加工材料，将采用固态连接工艺将所述摩擦搅拌加工材料混合到所述基层，由此改变所述基层的性质；3)相对所述基层将所述摩擦搅拌加工材料定位并接附在期望的位置上；以及4)将所述摩擦搅拌加工材料摩擦搅拌加工到所述基层中，同时避免所述摩擦搅拌加工材料移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.30 US 61/581,9551. 一种用于将材料固定在具有曲面的基层中并将所述材料摩擦搅拌加工到所述基层 内的方法，所述方法包括： 1) 提供具有曲面的基层； 2) 提供摩擦搅拌加工材料，将采用固态连接工艺将所述摩擦搅拌加工材料混合到所述 基层，由此改变所述基层的性质； 3) 相对所述基层将所述摩擦搅拌加工材料定位并接附在期望的位置上；以及 4) 将所述摩擦搅拌加工材料摩擦搅拌加工到所述基层中，同时避免所述摩擦搅拌加工 材料移动。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在所述曲面中形成凹口，所述 摩擦搅拌加工材料可以放置在所述凹口中。3. 如权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括使用过盈配合将所述摩擦搅拌 加工材料放置在所述凹口中。4. 如权利要求3所述的方法，其中所述方法进一步包括当将所述摩擦搅拌加工材料放 置在所述凹口中时，沿着所述摩擦搅拌加工材料的至少一个边缘提供至少一个间隙，由此 使得所述摩擦搅拌加工材料在摩擦搅拌加工期间沿着所述摩擦搅拌加工材料长度的至少 一个方向上的热膨胀。5. 如权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括制造所述摩擦搅拌加工材料， 从而使其具有与所述凹口内的所述基层的曲面垂直的接触面。6. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括制作只部分围绕所述基层的圆 周延伸的所述凹口。7. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括制作围绕所述基层的整个圆周 延伸的所述凹口，从而在所述基层中形成狭槽。8. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括围绕所述基层的圆周制作多个 离散的凹口。9. 如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括将所述摩擦搅拌加工材料形成 为连续的摩擦搅拌加工带，其完全围绕所述基层的圆周。10. 如权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括使用至少一个可拆式环接附 所述摩擦搅拌加工带，所述可拆式环围绕所述摩擦搅拌加工带并且使用在所述至少一个可 拆式环中的多个固定螺钉挤压所述摩擦搅拌加工带。11. 如权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括使用至少一个可拆式环接附 所述摩擦搅拌加工带，所述可拆式环围绕所述摩擦搅拌加工带并且挤压所述摩擦搅拌加工 带，其中至少一个可拆式环包括能实现与所述摩擦搅拌加工带接附和移除的接头和闭锁装 置。12. 如权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括： 1) 提供至少一个牺牲带，以提供相对所述基层固...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·T·希金斯，大卫·罗萨尔，塞缪尔·C·桑德森，罗素·J·斯蒂尔，斯科特·M·帕克，杰里米·彼得森，史蒂夫·W·拉森，乔纳森·A·巴布，
申请(专利权)人：美佳斯迪尔科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US