不同金属的摩擦搅拌焊接制造技术

本发明专利技术涉及不同金属的摩擦搅拌焊接。当摩擦搅拌焊接工具穿过不同金属合金材料的两个工件的界面时，得到的不同合金材料的焊接件可能产生弱的焊接接头。例如在试图在镁合金片或条和铝合金片或条之间形成点焊件或其它摩擦搅拌焊接件时通常经历这种弱的接头。已经发现设置在组装的工件界面处的合适的涂层成分能够改变摩擦搅拌焊接材料的成分并强化得到的结合。在镁合金和铝合金工件之间的摩擦搅拌焊接件的示例中，发现铜、锡和锌及其它粉末的组合能够强化含有镁和含有铝的摩擦搅拌焊接材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及摩擦搅拌焊接在结合不同的金属构件(例如镁合金面板和铝合金增强件)中的使用。更具体地，本专利技术涉及在不同的金属成分构件的面对面的表面之间的中 间层材料(例如，金属粉末或金属涂层成分)的设置，用于并入由摩擦搅拌焊接工具产生的 接头材料中以增加焊接接头的强度。
技术介绍
存在这样的制造应用，其中可能有用的是焊接不同的金属成分的构件以制作例如 相对轻质的物品。例如，在制造机动车辆车身部件时，可能期望将铝合金增强支柱与镁合金 面板结合。通常，这种不同的金属构件难以通过例如熔焊工艺的常规结合技术来结合，因为 它们形成大块的易碎金属间成分，从而削弱接头。设想这种不同的金属部件可使用摩擦搅 拌焊接方法来结合。 在摩擦搅拌焊接中，带有轴向探头和肩部的旋转工具被压入金属工件的组件表面 中。旋转探头和肩部在焊接部位处接合工件。探头和肩部上的摩擦热和持续压力暂时软 化、塑化并混合工件接合部分中的材料。当旋转工具大致垂直地压到工件上的点且然后撤 回时，形成摩擦搅拌点焊件。摩擦搅拌工具可撤回并移动且连续地沿一个或多个工件的表 面接合以形成一系列摩擦搅拌点焊件。当旋转工具被压入工件表面且在表面中移动时，可 形成摩擦搅拌线性焊接件或者滚焊焊缝。类似地，摩擦搅拌工具可沿着两个工件的邻接边 缘的界面移动，以形成摩擦搅拌对接焊接件。总的来说，这些各种焊接模式称为摩擦搅拌焊 接(FSW)。 在要结合的金属件的成分产生适当的焊接区域时，可以获得良好的接头强度。当 一些不同的金属用FSW结合时，在焊接区域中所形成的易碎低熔点金属间材料可能产生弱 的或易碎的焊接结合。例如，当期望将镁合金构件与铝合金部件结合时，这可能发生。 本专利技术的目的是提供一种在不同金属成分的工件之间(例如，在镁合金工件和铝 合金工件之间)的强摩擦搅拌焊接结合的方法。
技术实现思路
本专利技术的实践在不同的金属工件要被结合且工件的各个成分不能通过常规摩擦 搅拌焊接技术获得良好的结合强度的摩擦搅拌焊接情况下是有用的。例如，摩擦搅拌塑化 的铝合金和镁合金可形成低熔点成分，从而削弱预期的焊接件。在将铝摩擦搅拌焊接到镁 期间，焊接部位的温度可能足够高以产生低熔点Al-Mg共晶液体。该液体不仅限制搅拌区 域的尺寸，而且往往在工具从焊接部位撤回时粘附到摩擦搅拌焊接工具上。这种液体材料 的形成在铝和镁工件之间产生弱的结合。当包括两种不同金属构件的成分的界面的摩擦搅 拌塑化不能产生良好的摩擦搅拌结合时，通过在要结合的工件的界面处增加一种或多种中 间层材料(包括例如，金属粉末和/或非金属粉末(或其涂层))来改变摩擦搅拌区域的成 分可能是有益的。 在铝构件要结合到镁构件上的本专利技术的实施例中，预期焊接部位可设置有以下材 料的涂层或混合物(a)铜和锡粉末；或(b)铜、锡和锌粉末；或(C)锌粉末；或(d)其它适 当的金属和非金属粉末成分以及混合物，例如，铝、镁、硅、锶、铈(或其它镧系元素)、银、 钛、锑、镍、铬、锰、铁、钒、铌、锆、钇、钼、钨、黄铜、青铜、钢、碳、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧 化钛、氧化铁等。这些粉末或涂层可以单种组分的单独层的形式或者作为多组分涂层或粉 末混合物的层添加。包括这种粉末成分的涂层作为合适的涂层涂覆到要焊接部件的界面表 面。所述部件被组装并被支撑用于摩擦搅拌焊接。这些涂层也可以涂覆到面对摩擦搅拌焊 接工具的工件的顶表面上。在焊接期间，所添加的材料被搅拌、混合，并可与搅拌影响区域 中的相邻的铝和镁起反应。得到的更复杂的混合物形成较强的焊接结合。 这种粉末成分通过经验或者试验选择，以改进FSW的机械属性。例如，粉末成分可与母体金属(例如，铝合金和镁合金)反应以在搅拌区域形成较高熔点(比单独从母体金 属相互反应所形成的组分的熔点更高)的组分或者增加所产生的金属间液体的粘度，使得 搅拌区域变得相对结实或牢固并降低其粘附到焊接工具的趋向性。所添加的粉末或涂层材 料可与母体金属反应以形成其它微观结构组分。由于所添加的粉末或涂层材料和/或反应 产物的小颗粒的散置引起的搅拌区域材料的熔点的增加或者搅拌区域牢固性的增加能增 加在不同金属工件之间得到的接头的强度和/或韧性。 在设想使用界面成分改变粉末的本专利技术的另一个实施例中，使用高导热率砧台来 抵靠摩擦搅拌工具支撑工件并促进从搅拌区域的热传递以使得在摩擦搅拌焊接期间低熔 点金属间材料的形成最小化。增加的冷却速率用于避免或者最小化焊接区域中的熔融。增 加的冷却速率用于最小化低熔点金属间材料形成的量并增加得到的金属和金属间液体的 混合物的牢固性。 如上所述，成分改变粉末材料可通过经验或试验来研发和指定。例如，在铝和镁的 摩擦搅拌焊接期间搅拌区域中的温度能够容易地为45(TC和以上。锡和锌具有相对低的熔 点，分别为约232和420°C 。因而，在摩擦搅拌焊接期间，锡和锌熔融且锡或锌液体能够与相 邻的铝和镁材料反应。例如，在摩擦搅拌焊接期间，锡能够与镁反应，形成固体Mg2Sn (熔点 约770. 5°C )颗粒和富含锡的Mg-Sn液体的混合物。同时，铝和镁能形成Al-Mg共晶液体。 由此形成的Mg^n颗粒和所添加的颗粒(例如，铜颗粒)连同母体材料中存在的夹杂颗粒一 起与Al-Mg共晶液体混合，以降低其流动性并增加其牢固性。该混合物还与搅拌影响区域 中的未反应的铝和镁母体材料混合，从而得到相对牢固和强的搅拌区域。该牢固性也降低 了搅拌区域材料粘附到焊接工具的趋向性。在冷却时，强的和坚韧的焊接件由铝合金、镁合 金、Mg^n、Al-Mg金属间复合物(如Al^g》以及铜的复杂成分形成。也可以包含一些锡。 中间层材料成分以粉末等形式适当地使用，以利于散置到从相邻的面对面的工件 的摩擦搅拌工具塑化金属中并与其形成合金。补充的涂层材料涂覆到不同金属成分的叠置 或邻接工件的接触区域上。涂层材料在工件被组装并支撑用于FSW之前可作为松散粉末设 置到工件中的一个或两者的面对面的表面上。除了作为松散粉末涂覆之外，中间层材料的 添加可通过任何适当的涂层方法(例如冷喷射、电子束真空沉积、热喷射等)或者通过包盖 或者简单地通过添加适当成分的薄的材料件来完成。 本专利技术的其它目的和优势从本专利技术的某些优选说明性实施例的详细描述显而易 见。附图说明 图1示出了在例如第一金属合金工件与第二金属合金工件的叠置边缘的表面中 的摩擦搅拌点焊件的直线序列的形成。摩擦搅拌焊接工具示出在撤回的位置，准备用于形 成第三点焊件。混合的粉末材料的涂层已经沿预期点焊件的路径设置在叠置表面之间。 图2是图1的组件中所形成的单个点焊件和相邻区域的截面图。图2示出了具有 搅拌区域和附近的涂层材料的第一和第二金属合金工件的变形区域。 图3示出了不同的金属条或板的邻接件，其中一层合金粉末的涂层材料设置在邻 接表面之间。 图4示出了在图3的邻接金属件之间形成连续摩擦搅拌对接焊缝的过程中的摩擦 搅拌工具。 图5示出了不同的基体合金成分的叠置片的摩擦搅拌焊接，其中金属粉末薄层沿 焊接路径设置在金属片之间。 图6是使用按重量计25%的铜颗粒和按重量计75%锡颗粒的粉末混合物的介入 涂层在铝片和镁片之间所形成的摩擦搅拌点焊材料的X射线衍射图案。所述图案以所检测 的X射线谱线强度Lin相对于2-The本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在不同金属或金属基合金成分的两种或更多金属工件之间形成摩擦搅拌焊接件的方法，所述方法包括：形成组件，在所述组件中，至少两个工件具有带有结合面焊接位置的结合面，摩擦搅拌焊接件要在结合面焊接位置处形成，且一个工件具有带有摩擦搅拌接合位置的表面，所述摩擦搅拌接合位置用于与旋转摩擦搅拌焊接工具接合；将中间层成分设置在摩擦搅拌接合位置或结合面焊接位置中的一个或两者处，所述中间层成分被选择以增加摩擦搅拌焊接件的强度；和用摩擦搅拌工具将金属工件摩擦搅拌，所述摩擦搅拌工具最初接合摩擦搅拌接合位置并穿过工件到达每个结合面焊接位置，所述摩擦搅拌工具的动作使得中间层成分与工件的金属成分混合并在结合面焊接位置处形成焊接材料，所述焊接材料包括来自于中间层成分、每个工件材料和任何反应产物的组分。

【技术特征摘要】
US 2008-10-14 12/250750一种在不同金属或金属基合金成分的两种或更多金属工件之间形成摩擦搅拌焊接件的方法，所述方法包括形成组件，在所述组件中，至少两个工件具有带有结合面焊接位置的结合面，摩擦搅拌焊接件要在结合面焊接位置处形成，且一个工件具有带有摩擦搅拌接合位置的表面，所述摩擦搅拌接合位置用于与旋转摩擦搅拌焊接工具接合；将中间层成分设置在摩擦搅拌接合位置或结合面焊接位置中的一个或两者处，所述中间层成分被选择以增加摩擦搅拌焊接件的强度；和用摩擦搅拌工具将金属工件摩擦搅拌，所述摩擦搅拌工具最初接合摩擦搅拌接合位置并穿过工件到达每个结合面焊接位置，所述摩擦搅拌工具的动作使得中间层成分与工件的金属成分混合并在结合面焊接位置处形成焊接材料，所述焊接材料包括来自于中间层成分、每个工件材料和任何反应产物的组分。2. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，所述组件被支撑在砧台上，所述砧台适合于避免或最小化焊接位置 处的熔融。3. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与工件组分的组合物增加焊接材料的熔点。4. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，中间层成分的组分与工件组分及其反应产物的组合物增加了在焊 接期间熔融搅拌区域材料的粘度。5. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，工件组件具有带有第一和第二结合面焊接位置的第一和第二结合 面，且相同的中间层成分被混合到第一和第二结合面焊接位置中的每个的焊接材料中。6. 根据权利要求1所述的在不同金属或金属基合金成分的金属工件之间形成摩擦搅 拌焊接件的方法，其中，工件组件具有带有第一和第二结合面焊接位置的第一和第二结合 面，且第一中间层成分被混合到第一焊接位置处的焊接材料中，而不同的第二中间层成分 被混合到第二焊接位置处的焊接材料中。7. —种在镁合金工件和铝合金工件之间形成摩擦搅拌焊接件的方法，所述方法包括 形成组件，在所述组件中，至少镁合金工件和铝合金工件具有带有结合面焊接位置的结合面，摩擦搅拌焊接件要...

【专利技术属性】
技术研发人员：YL陈，SK基姆布利，MT霍尔，XQ盖登，RT塞曼斯基，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]