材料的摩擦钻头接合制造技术

一种使用具有至少部分可消耗的钻头的摩擦搅动工具的系统和方法可以通过以下得以改进：在所述钻头上提供增强型切削几何结构，修改停止时间以改进钻头接合，在自动化摩擦钻头接合方法中包含自动化追踪，提供自动化馈送和自动化摩擦钻头接合，使所述摩擦钻头接合系统可便携，使所述摩擦搅动工具能被机器人装置可用或可用作手持式装置，即使仅基底材料是与所述可消耗的钻头可固态接合的，也能摩擦钻头接合多个不同层，对传统上不可焊的材料执行金属缝合，执行固态塞焊，并且在可变RPM下操作所述摩擦钻头工具，从而改进钻头接合特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种使用具有至少部分可消耗的钻头的摩擦搅动工具的系统和方法可以通过以下得以改进：在所述钻头上提供增强型切削几何结构，修改停止时间以改进钻头接合，在自动化摩擦钻头接合方法中包含自动化追踪，提供自动化馈送和自动化摩擦钻头接合，使所述摩擦钻头接合系统可便携，使所述摩擦搅动工具能被机器人装置可用或可用作手持式装置，即使仅基底材料是与所述可消耗的钻头可固态接合的，也能摩擦钻头接合多个不同层，对传统上不可焊的材料执行金属缝合，执行固态塞焊，并且在可变RPM下操作所述摩擦钻头工具，从而改进钻头接合特征。【专利说明】材料的摩擦钻头接合
本专利技术大体上涉及摩擦搅动接合方法。更确切地说，本专利技术是使用摩擦搅动工具将工件接合在一起的系统和方法，所述摩擦搅动工具具有至少部分可消耗的销或钻头，其中钻头可以具有在以第一速度旋转时切割通过第一工件材料的切削边缘。在切割通过第一工件材料至足够的深度之后，工具的转速可以改变以使得钻头自身以及接合到第二工件材料的第一工件材料塑化。在通过摩擦搅动工具对第一工件材料和第二工件材料以及钻头充分加热之后，工具的旋转可以迅速减速或完全停止，以使钻头与第一工件材料和第二工件材料能固态结合。这种工艺将贯穿本文称为摩擦钻头接合，其中所述钻头贯穿本文均是改进的销或铆钉。
技术介绍
有许多方法能用于将金属工件接合在一起；其中的一些方法包含焊接、点焊、紧固件(例如，螺钉和螺栓)、摩擦搅动焊接等。支配所有接合方法的三个基本原理包含机械连接、熔接(焊接)以及固态接合(摩擦焊接)。每一个原理技术都有优势；然而，通常选择用于应用的方法指定为具有最少的可容许缺点的方法。 机械工件接合方法的示例包含螺钉、螺母和螺栓、楔形榫、型锻、铆接、干扰连接等。由于螺纹具有限定的承载力、高成本的多个组件和组装件、必须在工件中安置的孔和/或紧固件所需的空间的成本，因此许多应用无法使用螺钉或螺栓。楔形榫以及其它工件锁定方法在指定方向上锁定，但是可能在其它方向上滑动或旋转分开。铆钉可能具有任何机械紧固件的每单位面积和体积的最大接合强度，但是铆钉头的机械变形会降低能量吸收能力以及伸长率。 当机械方法是不可接受的接合技术时，利用熔焊方法，除非工件被视为是不可焊的。例如，由7000系列铝制成的飞机组件被视为是不可焊的，因为所得的焊缝强度低至基底金属特性的50%。例如钢、不锈钢和镍基合金等高熔化温度材料(HMTM)可以被焊接，但是接合强度因与熔焊相关的问题而受限。这些问题包含但不限于凝固缺陷、在焊缝宏观组织中的硬/软区、由液相到固相的转变产生的残余应力、孔隙率、开裂、不均匀和不可预测的微观结构、腐蚀敏感性、工件变形以及工件基底材料特性的损失。 通常需要后焊操作以修复失真或者非破坏性地核定焊缝并且会对工艺增加成本。此外，如果未遵循正确的安全操作步骤，那么会对操作员存在与六价铬和锰暴露有关的健康问题以及潜在的视网膜损伤。在多数情况下，必须增加工件的尺寸以使用被视为可焊的较低强度的基底材料而取代被视为不可焊的较高强度材料。目前由较低强度钢制成的汽车车身就是这种情况。先进的高强度钢(双相钢以及相变诱导塑性(TRIP)钢)可以用于框架结构中以大大减少车辆重量，但是由于可熔焊性问题，这些材料还没有被使用。 摩擦搅动焊接是具有优于熔焊方法的许多优点的固态焊接工艺。图1是用于摩擦搅动焊接的工具的透视图，其特征在于是大体上圆柱形的工具10，具有肩部12以及从所述肩部向外延伸的销14。销14抵靠工件16旋转，直到在工具的销塞入到塑化工件材料中的点处产生足够的热量为止。工件16通常是在接缝18处对接在一起的两张材料片或材料板。销14在接缝18处被塞入到工件16中。尽管这种工具在现有技术中已经公开，但是这里将解释所述工具可以用于新的用途。 应注意，贯穿本文可以互换地使用术语“工件”和“基底工件材料”。 因销14抵靠工件材料16的旋转运动引起的摩擦热量使得工件材料在未达到熔点的情况下软化。工具10沿着接缝18横向地移动，由此在塑化材料围绕销从前边缘流到后边缘时形成焊缝。结果是在接缝18处形成与其它焊缝相比通常可以与工件材料16自身不可区别的固相结合20。 可以观察到，当肩部12接触工件的表面时，其旋转会产生额外的摩擦热量，使围绕经插入的销14的更大的圆柱形柱状材料塑化。肩部12提供锻造力，该锻造力包含因工具销14引起的向上的金属流动。 在FSW(摩擦搅动焊接)期间，将要焊接的区域与工具相对于彼此移动，使得工具横穿焊缝的期望长度。旋转FSW工具提供了连续的热加工动作，在工具沿着基底金属横向地移动时使金属在狭窄的区中塑化，同时将金属从销的主面传送到其后边缘。随着焊缝区冷却，通常不存在凝固，因为在工具通过时没有液体产生。通常的情况是但并非总是如此，所得的焊缝是在焊缝区域中形成的无缺陷的、再结晶的细晶微观结构。 行进速度通常是10到500mm/min，具有200到2000rpm的旋转速率。所达到的温度通常接近但是低于固相温度。摩擦搅动焊接参数取决于材料的热特性、高温流动应力以及穿透深度。 先前的专利文献已经教示了能够使用先前被视为功能上不可焊的材料来进行摩擦搅动焊接的益处。这些材料中的一些是不可熔焊的，或者就是难以焊接的。这些材料包含，例如，金属基复合材料、铁基合金，如钢和不锈钢、以及非铁材料。另一类也能够利用摩擦搅动焊接的材料是超合金。超合金可以是具有较高熔化温度的青铜或铝的材料，并且也可以混合其它元素。超合金的一些示例是通常在高于1000华氏度的温度下使用的镍、铁镍合金以及钴基合金。通常在超合金中发现的其它元素包含但不限于，铬、钥、钨、铝、钛、铌、钽和铼。 先前的专利教示了需要的工具是使用具有比被摩擦搅动焊接的材料更高的熔化温度的材料构成的工具。在一些实施例中，在工具中使用超硬磨料。 还应注意，短语“摩擦搅动加工”还可以互换地称为“固态加工”。固态加工在本文中定义为暂时转变至通常并不包含液相的塑化状态中。然而，应注意，一些实施例允许一个或多个元素经历液相，并且仍能实现本专利技术的益处。 在摩擦搅动加工中，工具的销被旋转并且塞入到将被加工的材料中。工具跨越材料的加工区域横向地移动。使得材料在固态加工中经历塑化的操作才可以产生经改进以具有与原始材料不同的特性的材料。 如今，摩擦搅动点焊(FSSW)正被实验上用以在搭接焊配置中接合先进的高强度钢。如美国专利申请20050178817中所描述的，FSSW正被商业上用以搭接焊铝组件。目前使用两种方法。 第一种方法包括将销工具(由销以及肩部组成的FSSW工具)塞入到工件中，直到工件被摩擦点焊焊接在一起为止。使用这种方法的缺点是从销留下孔26，如图2中所示。在工具的肩部以下实现了工件28之间的结合，而销孔降低了焊缝的强度。 第二种方法包括设计设备以使材料返回到销孔中(美国专利6722556)。由于进行点焊所需的大主轴头、夹具要求以及加载，这种方法相当繁琐。 本专利技术的实施例大体上涉及这些功能上不可焊的材料以及超合金，并且在下文中贯穿本文被称为高熔化温度材料(HMTM)。然而，本专利技术的原理也适用于较低熔化温度的材料，例如铝以及不被视为高熔化温度材料的一部分的其它金属和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用安置在摩擦钻头接合工具中的至少部分可消耗的钻头将至少两个工件扩散结合在一起的方法，所述方法包括：1)重叠至少两个工件；2)提供具有至少部分可消耗的钻头的摩擦钻头接合工具，其中所述至少部分可消耗的钻头包含能够以不垂直于所述工件的表面但是适于切入所述至少两个工件中的至少第一工件的角度切入所述至少两个工件的切削特征件；3)旋转所述工具以使所述切削特征件能切入所述至少两个工件至所需的深度，并且使所述至少部分可消耗的钻头以及所述至少两个工件中的至少一个能够塑化；以及4)在某速度下旋转所述摩擦钻头接合工具，以使所述至少部分可消耗的钻头与所述至少两个工件中的至少一个能够扩散结合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·T·希金斯，M·P·米莱斯，R·J·斯蒂尔，S·M·帕克，
申请(专利权)人：麦加斯特尔科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US