用于摩擦钻头接合的系统和方法技术方案

一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具包括钻头，所述钻头具有锥形销和非切割尖端。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中或从所述顶表面延伸，并且被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。

System and method for friction bit engagement

A tool for rubbing a drill bit to engage a workpiece material includes a drill bit having a tapered pin and a non cutting tip. The drill bit has a top surface opposite to the pin, wherein at least one feature is recessed into or extended from the top surface, and is configured to transmit torque to the drill bit so that the drill bit rotates around the rotation axis.

【技术实现步骤摘要】
用于摩擦钻头接合的系统和方法
技术介绍
金属的搅拌摩擦处理(“FSP”)已用于在固态接合过程中将可焊接材料彼此附接。FSP使用压在可焊接材料表面上的销的运动来产生热量和摩擦以移动可焊接材料。所述材料可以与第一材料所接合的第二材料一起塑化并物理搅拌。销、销和轴肩，或另一“FSP工具”可以接触工件进行旋转。力施加至FSP尖端以促使FSP工具抵靠工件。FSP工具沿着工件移动以搅拌工件的材料。将来自两个板的材料混合的物理过程将板接合。FSP在固态过程中接合可焊接材料，这避免其它焊接过程的许多潜在缺陷。例如，FSP沿着工具的路径产生与原始材料不可区分的搅拌区域。可以在不包括附加材料或使用保护气体的情况下执行FSP。例如金属-惰性气体(“MIG”)焊接的一些焊接方法可以引入附加材料来形成结合。例如钨-惰性气体(“TIG”)焊接的其它焊接方法可以使用不可消耗接触点来加热一个或多个工件。然而，加热可能使一个或多个工件达到液相并且在一个或多个工件中存在相变风险。相变可能损害结合的完整性并潜在地损害工件本身。为了限制相变或其它反应的可能性，TIG焊接和类似过程在接触区域周围利用惰性气体“保护”。当FSP工具从工件缩回时，传统FSP使用不可消耗钻头并留下空隙。摩擦钻头接合(FBJ)使用可消耗钻头，所述可消耗钻头由FBJ过程消耗并且成为所产生接头的整体部分。FBJ接头通常需要至少一个精加工步骤，有时更多个精加工步骤以产生精加工表面。
技术实现思路
在一些实施方案中，一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具包括钻头，所述钻头具有锥形销且具有非切割尖端。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中，所述至少一个特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。在一些实施方案中，一种用于摩擦钻头接合的工具包括钻头和驱动器。所述驱动器具有可围绕旋转轴旋转的驱动器主体以及从所述驱动器主体突出的至少一个机械互锁特征。所述钻头具有与所述销相对的顶表面，其中至少一个互补的互锁特征凹入所述顶表面中，所述至少一个互补的互锁特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕所述旋转轴旋转。在一些实施方案中，一种摩擦钻头接合工件的方法包括使驱动器围绕旋转轴旋转，以及使用所述驱动器使钻头接触所述工件旋转。所述方法还包括将所述钻头轴向移动至所述工件中以及使工件材料移位。所述方法通过以下方式继续：用所述钻头搅拌摩擦所述工件材料，其中所述钻头的顶表面与工件表面齐平；然后使所述钻头在所述工件中停止并将所述钻头与所述驱动器断开，使得所述钻头保持在所述工件中。提供本概述以便介绍将在以下详细描述中进一步描述的一系列概念。本概述并非意在识别所要求主题的关键特征或基本特征，也不意在帮助限制所要求主题的范围。本公开的实施方案的额外特征和优点将在以下描述中阐述并且将从描述中部分显而易见，或者可以通过实践这些实施方案习得。借助于所附权利要求书中特别指出的仪器和组合，可以实现和获得这些实施方案的特征和优点。这些和其它特征将从以下描述和所附权利要求书中变得更显而易见，或者可以通过实践下文阐述的这些实施方案习得。附图说明为了描述可以获得本公开的上述和其它特征的方式，通过参考在附图中说明的本公开的具体实施方案来呈现更具体描述。为了更好地理解，在各个附图中，已用相同参考标号表示相同元件。尽管一些附图可能是概念的示意性或夸大表示，但是其它附图应被视为按比例绘制以用于实例实施方案。应理解，附图描绘一些实例实施方案，将通过使用附图以附加特性和细节描述和说明实施方案，在附图中：图1是根据本公开的实施方案的摩擦钻头接合系统的透视图；图2是根据本公开的实施方案的焊接对接接头的摩擦钻头接合系统的透视图；图3-1是根据本公开的实施方案的焊接搭接接头的摩擦钻头接合系统的透视图；图3-2是在图3-1中说明的搭接接头的实施方案的侧视截面图；图4是图3-1的摩擦钻头接合工具的实施方案的透视分解图；图5是图3-1的摩擦钻头驱动器的实施方案的端视图；图6是图3-1的摩擦钻头的实施方案的端视图；图7是图3-1的摩擦钻头的实施方案的侧视截面图；图8是根据本公开的一些实施方案的摩擦钻头接合接头的透视图；以及图9是说明根据本公开的实施方案的摩擦钻头接合工件的方法的流程图。具体实施方式本公开总体上涉及增加用于搅拌摩擦焊接、接合、处理，或其它搅拌摩擦过程的摩擦钻头接合(FBJ)工具的效率的装置、系统和方法。更具体来说，本文所描述的一些实施方案涉及在FBJ过程期间产生接近精加工表面的FBJ工具的设计、制造和使用。例如，FBJ工具可以用于搅拌摩擦一个或多个工件并消耗接头中的FBJ钻头，同时留下与原始工件表面齐平且没有闪光或其它碎屑的表面，而无需后续机器加工或精加工过程。在一些实施方案中，根据本公开的FBJ工具包括FBJ钻头和FBJ驱动器。FBJ钻头可以由驱动器通过FBJ钻头与驱动器之间的机械互锁旋转，以搅拌摩擦一个或多个工件。随后，当驱动器缩回时，FBJ钻头可以保持在接头中，其中FBJ钻头的表面与工件的表面齐平。在一些实施方案中，FBJ钻头具有圆锥形(包括截头圆锥形)、弯曲的或其它非切割尖端。FBJ钻头的尖端可以用轴向力插入工件中，所述轴向力将工件材料从工件和/或接头的搅拌区域移位。在一些实施方案中，FBJ工具的驱动器包括一个或多个切割元件，以切割或以其它方式从搅拌区域周围的工件的表面清除闪光。在其它实施方案中，驱动器包括一个或多个磨光器，以压缩和/或磨光搅拌区域周围的工件的表面。在一些实施方案中，通过使工件材料移位，而不是切入工件材料中进行FBJ钻头的穿透可以产生工件材料的更大量移动。在一些实例中，除了FBJ工具接触工件旋转之外，FBJ工具可以在移位时产生热能。然后，随着FSP工具工作表面的旋转，FBJ工具可以摩擦地拖动工件材料以使工件材料以基本上圆周运动流动。在其它实例中，FBJ工具包括在销和/或轴肩上的一个或多个表面特征，所述一个或多个表面特征与工件材料机械接合以使工件材料流动。增加的流速可以产生更强焊接和/或允许跨越工件表面的增加的平移速度，以在更短时间内完成焊接。图1示出FBJ系统100的实施方案，其中FBJ工具102接触工件104。FBJ工具102围绕旋转轴105接触工件104旋转可以在搅拌区106中搅拌工件104，并且在搅拌区106外形成热影响区108。在一些实施方案中，FBJ搅拌工件104以用可消耗FBJ钻头细化工件材料的搅拌区106和/或热影响区108中的晶粒结构。例如，工件材料的晶体结构可以至少部分地取决于工件的制造。所制造的晶粒结构对于精加工部件可能是不合需要的。尽管FBJ可以用于接合多个工件，但是可消耗钻头可以用于工件的搅拌摩擦处理(FSP)。在一些实例中，铸造工件具有随机取向(即，无纹理)，具有相对较大晶粒尺寸且在每个晶粒内几乎没有变形。铸铝的FSP可以细化晶粒尺寸以产生较小平均晶粒尺寸(增加微结构的边界密度)。铸铝的FS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具，所述工具包括：/n钻头，所述钻头具有：/n锥形的销；/n非切割尖端；以及/n与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中，所述至少一个特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。/n

【技术特征摘要】
20180509 US 62/668,9461.一种用于摩擦钻头接合工件材料的工具，所述工具包括：
钻头，所述钻头具有：
锥形的销；
非切割尖端；以及
与所述销相对的顶表面，其中至少一个特征凹入所述顶表面中，所述至少一个特征被构造成将扭矩传输至所述钻头以使所述钻头围绕旋转轴旋转。


2.如权利要求1所述的工具，所述钻头具有在所述销与所述顶表面之间的轴肩。


3.如权利要求1所述的工具，所述非切割尖端是圆形的。


4.如权利要求1所述的工具，所述销具有以相对于所述旋转轴的面角取向的面，所述面角不垂直于所述旋转轴。


5.如权利要求1所述的工具，所述销包括具有一个或多个表面特征的面，所述一个或多个表面特征被构造成接合工件材料并使工件材料流动。


6.如权利要求1所述的工具，所述钻头具有在所述钻头的总直径的10％与50％之间的钻头高度。


7.如权利要求6所述的工具，所述钻头具有小于所述钻头的总直径的50％的销高度。


8.如权利要求1所述的工具，所述销是圆锥形销。


9.一种用于摩擦钻头接合的工具，所述工具包括：
驱动器，所述驱动器具有：
可围绕旋转轴旋转的驱动器主体；以及
从所述驱动器主体突出的至少一个机械互锁特征；以及
耦合至所述驱动器的钻头，所述钻头具有非切割尖端、销以及与所述销相对的顶表面，所述顶表面包括至少一个互补互锁特征，所述至少一个互补互锁特征凹入所述顶表面中并且被构造成将扭矩从所述至少一个机械互锁特征传输至所述钻头，以使所述钻头围绕所述旋转轴旋转。


10.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·P·迈尔斯，R·D·弗雷克，R·J·斯蒂尔，K·A·雪莉，S·F·伍德，
申请(专利权)人：杨百翰大学，马扎克公司，
类型：发明
国别省市：美国;US