在摩擦搅拌处理中减少片材扭曲制造技术

在硬表面的砧上支撑（一个或多个）工件并且将工件的相对面与旋转的、任选地平移的、被按压抵靠工作表面的摩擦搅拌工具接合可通过片材金属工件的表面产生局部热量。通过使用具有可观导热率的砧或者液体冷却的砧体适当地冷却摩擦搅拌工具接合的（一个或多个）工件位置，以最小化或消除工件扭曲，从而在这种片金属工件的摩擦搅拌处理（例如，缝焊或点焊）中实现了优点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用支撑砧对片材金属工件进行摩擦搅拌处理。更具体地说，本专利技术 涉及使支撑砧适于增加从工件的热传输，以减小在片材金属工件的摩擦搅拌处理期间的片 材热扭曲和机械扭曲。术语“摩擦搅拌处理”通常包括直线摩擦搅拌焊接、摩擦搅拌点焊接 和不试图结合工件的摩擦搅拌处理。
技术介绍
在摩擦搅拌处理中，旋转工具的端部被按压成与一个或多个被支撑工件的一个面 或多个面摩擦接合，以加热工件的(一个或多个)在该端部下方的表面区域。旋转工具的 工作端被按压成与将被处理的部件接触。通过有时被称为砧的构件在与旋转工具所施加的 力相对的一侧上支撑一个或多个工件。工件的接触摩擦搅拌工具的面被快速加热，这主要 取决于针对材料处理对象的该工具的压力和旋转速度。摩擦搅拌工具由硬且熔点高的材料 形成，该材料不会被在旋转工具和被接合的一个或多个工件之间的界面处产生的热软化或 不利地影响。摩擦搅拌处理砧通常由硬钢合金形成，该硬钢合金不受对被压靠在砧体上的 (一个或多个)工件所进行的摩擦搅拌加热的影响。在摩擦搅拌工具的端部基本上是平的时，旋转摩擦搅拌工具的效果可以是就热处 理结果而言以最小扭曲来加热(一个或多个)在工具端部下方的工件。目的可以是对表面 进行软化或硬化，或者在引起或不引起工件中的相变的情况下改变工件的在工具端部下方 的表面的微观结构。或者，目的可以是在两个或多个在工具端部下方的片材层之间形成焊 接。在旋转工具的端部携带有轴向延伸探头(也就是说，探头位于工具的旋转轴线上且从 工具的端部延伸)的情况下，旋转探头的更加集中的力快速塑化(一个或多个)所接触的 表面，直到探头从塑化区被抽出或者移开。当冷却时，重新硬化的材料可以在两个工件的邻 接端表面之间形成对接焊或者在片材材料的重叠层之间形成搭接焊。以这样的方式，可以 通过将探头插入工件并且移动探头以逐渐形成暂时塑化材料的样式来形成直线摩擦搅拌 焊缝。或者，可以通过将旋转探头短暂地插入重叠片材或条材并且抽出探头以允许塑化的 材料通过这些层的界面硬化，从而形成一个或多个摩擦搅拌焊点。可以在两片材之间或者 在不同工件之间形成一系列这种焊点。已经在金属和其它材料(诸如聚合物)上进行了摩擦搅拌处理，这些材料以期望 的方式对这种摩擦产生的热量进行了响应。通常，已经通过设计旋转工具的探头或者其它 接触面、工具和接合面之间的压力、工具的旋转速率、工具的平移速率(在可行的情况下) 和摩擦接合的持续时间，来管理这些摩擦搅拌处理的加热速率和所达到的温度。对相当薄的导热材料(诸如铝合金和镁合金)片材进行摩擦搅拌处理是非常有用 的。例如，经常期望在上述金属合金片材的层之间形成一个或多个焊点。一个示例性应用在 于对机动车的内部和外部的铝合金闭合板(closure panel)的边缘进行卷边时形成焊缝或 一系列焊点。在这些机动车闭合板中，通常有应用在内部板和外部板之间的粘合剂层。铝 制外部片材板的边缘可以围着在铝制内部片材板的外周边缘和通过所装配的片材板中的4两个或三个片材层从该装配件的后侧形成的焊接。然而，可以发现，已知的摩擦搅拌处理的 通常做法有时导致摩擦搅拌焊接的铝片材中的热扭曲和机械扭曲。摩擦搅拌加热是局部且 强烈的，并且来自焊点或直线焊缝位置的热传输引起周围更冷的金属的扭曲。其结果是，机 动车车身板的可见面被损坏。本专利技术的一个目的是提供可用于这种金属片材的摩擦搅拌处理方法，该方法减小 周围片材材料的变形或扭曲，特别是与摩擦搅拌工具接合面相对的工件的表面上的变形或 扭曲。
技术实现思路
在摩擦搅拌处理中，适当的砧结构支撑(一个或多个)工件抵抗旋转摩擦搅拌工 具所施加的力。在本专利技术的实施中，工件可能通常是诸如铝合金或镁合金车身板的轻金 属片材，或者是其它相当薄的金属部件，并且砧还用于从摩擦搅拌处理位置导热。例如， 当一叠三层的一毫米厚的铝片材经受摩擦搅拌处理时，塑化金属的温度可能达到450°C到 470°C。热塑化的金属的质量可能加热周围的片材料材料，从而降低了其屈服强度并且能够 造成不期望的变形。砧的高导热率表面与片材金属工件的一侧紧密接合，该侧与摩擦搅拌 工具所接合的那一侧相对。砧用于去除来自工作位置的热量从而将接触工件层保持在适当 的低温(例如300°C，或者在铝合金的情况下更低)以避免变形。根据本专利技术，用于片材金 属工件的摩擦搅拌处理的砧由硬材料形成，该材料能从片材材料，特别是摩擦搅拌处理接 合位置处以及周围快速散热。例如，提供砧材料和结构(其可以是内部冷却的)以使其进 入砧的热量去除能力大于室温下大约40W/m_° K的等效导热率。此外，在工件的砧侧是在 抛光产品中的可见面的那些实施例中，还将砧设置为具有适当的光滑的表面光洁度，从而 砧不损坏摩擦搅拌处理过的物件的可见面。在本专利技术的实施例中，砧可以由硬铜合金形成，诸如用于形成电阻焊电极的合金。 这种合金在电阻焊所经历的较高温度下保持了它们的硬度，并且这种合金具有相对高的导 热率。例如，在室温下，电阻焊接机制造商协会(RWMA)的1类铜合金的导热率是大约367W/ m-° K。这种高导热率合金的砧板(或者其它适合的砧结构形状)用于传导来自摩擦搅拌 作用的工件的背面的热量。砧用于增加片材金属工件与砧之间的温度差。薄片材金属工件 被冷却，并且其热扭曲和机械扭曲得到降低。在特定应用中，可以按照经验或者在处理启动 实验期间确定高导热率砧体的大小和形状，以在摩擦搅拌焊接或者其它摩擦搅拌处理期间 适当地冷却(一个或多个)片材金属工件。例如，当砧由铜板形成时，可以使用一个或多个 紧密配合的板层以调节从摩擦搅拌处理位置的热量去除。在本专利技术的另一实施例中，砧结构自身可被冷却，用于片材材料中摩擦搅拌处理 位置的温度管理。例如，可以在硬钢或者硬铜砧体可设置用于冷却水、流动空气或者其它冷 却流体的循环的内部通道。因此，砧体被冷却从而将片金属工件的(一个或多个)摩擦搅 拌处理位置保持在一个温度范围，以减少或消除所处理的工件的热扭曲和机械扭曲。迄今为止，已经通过考虑处理参数来管理摩擦搅拌处理，所述处理参数诸如摩擦 搅拌工具的形状、工具作用到工件上的力、工具相对工件的旋转速率、行进速度。根据本发 明的实施例，提供了另外的且非常重要的处理控制方法。通过增加和管理从摩擦搅拌装置 的砧侧去除热量，可以减少或消除工件特别是片材金属工件的热扭曲和机械扭曲。本专利技术的其它目的和优点将从实现本专利技术的详细的特定示例性实施例的进一步 讨论中得到理解。附图说明图1是重叠片材金属边缘的摩擦搅拌处理组件的横截面斜视图，其中，所述片材 金属层被按压在旋转摩擦搅拌工具与由选定数量的高导热率铜合金板形成的砧之间，以实 现去除来自摩擦搅拌处理位置的热量。图2是重叠片材金属边缘的摩擦搅拌处理组件的横截面斜视图，其中，所述片材 金属层被按压在旋转摩擦搅拌工具与水冷的高导热率铜合金砧之间，以实现去除来自摩擦 搅拌处理位置的热量。图3是用于形成直线焊缝以在重叠的铝合金片材的边缘部分之间形成卷边的摩 擦搅拌处理组件的横截面斜视图。这种焊接可以在结合内部和外部车辆发动机罩板时形 成。具体实施例方式在摩擦搅拌焊接和其它摩擦搅拌处理期间的片材扭曲已经限制了将这些处理用 于薄片材，例如，其厚度在大约一个半毫米到大约四毫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在工件上的摩擦搅拌处理位置实施摩擦搅拌处理的方法，所述工件包括至少一层片材金属，所述至少一层片材金属具有第一表面和第二表面，所述第一表面用于接合在旋转摩擦搅拌工具的工作表面所施加的力下，所述第二表面由砧支撑而抵抗所述摩擦搅拌工具的力，所述方法包括：使所述旋转摩擦搅拌工具的所述工作表面压靠所述工件的所述第一表面，同时使所述工件的第二表面与砧接合而对抗所述旋转摩擦搅拌工具的所述压力；所述摩擦搅拌工具的压力和所述摩擦搅拌工具的旋转速度，以及所述摩擦搅拌工具的平移，若有的话，在处理位置处的工件中产生期望的处理加热效果；以及使用所述砧从所述工件的第二表面处的所述处理位置去除热量，以最小化所述片材金属工件的热扭曲和机械扭曲，所述砧包括下列各项中的至少一个：（ｉ）与所述第二表面接触的高导热率金属合金和（ｉｉ）内部或外部冷却装置。

【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：YL陈，MK亚达瓦，XQ盖登，
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]