粉末金属搅拌摩擦焊工具及其制造方法技术

一种搅拌摩擦工具（１０），具有旋转轴以及由粉末化金属材料制成的焊接端头（１６）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及搅拌摩擦焊工具，更具体地，涉及用于制造此种工具 的材料。
技术介绍
搅拌摩擦焊是这样一种技术通过该项技术，首先，将旋转搅拌 摩擦工具的端头插设入两个待结合的邻接金属构件未焊接的结合部，然后， 该旋转工具沿该结合部横穿，使两个构件的材料充分加热，以达到塑性状态 (plastic state),从而导致该塑性材料的沿结合部界面的移位和搅拌，冷却 后，可形成该两种材料的冶金焊接。该技术也可用于结合多个金属构件，通 过该技术，该旋转工具穿过这些构件中的其中一个，并部分进入到另一个构 件中，然后向前移动以将它们焊接到一起。典型地，搅拌摩擦焊工具被锻造，然后加工成期望的形状。例如， 该工具可由期望的金属合金铸造，然后进行加工以给予该搅拌摩擦工具期望 的形状和特征。该制造和抛光工艺会限制用作搅拌摩擦工具的材料的选取， 由此进一步增加了成本和形成该工具的复杂性。
技术实现思路
本专利技术有关一种由粉末金属材料制造的搅拌摩擦工具。 本专利技术进一步考虑了选取多种材料中的任意材料，以用于该搅拌 摩擦工具的粉末金属制备。这些材料包括金属合金、期望组分的掺合物 (blend)或混合物(admixture),以及这些组分的组合。本专利技术进一步考虑了使用高耐磨、高摩擦的组合物材料，例如金 属陶瓷等，以获得耐用并且高效的搅拌摩擦工具。本专利技术进一步考虑了在加热之前，对该粉末金属混合物使用添加 剂，以增强制备效率，并提升该摩擦磨损工具的强度及其它性能。本专利技术进一步考虑了在接近环境压力下使用热处理工艺。根据本专利技术进一步的具体特征，该粉末金属搅拌摩擦工具可经处理，以增强其耐磨和/或摩擦性能。根据一个具体的实施方式，该粉末金属搅 拌摩擦工具是铁基的，并且该搅拌摩擦工具的活动表面或者部分活动表面经蒸汽处理(steam treated),以形成Fe304， Fe304为铁氧化物的稳定形式并依 需要对该粉末金属搅拌摩擦工具的工作表面或部分工作表面给予了高度耐磨 损以及增强的摩擦性能。根据本专利技术进一步的具体特征，考虑到粉末冶金工艺将会使该搅 拌摩擦工具在材料和/或属性方面形成一梯度结构，并因该梯度结构而节省成 本并提高性能。例如，该搅拌摩擦工具的引导端头和柱塞部分可由非常坚硬 并且可能成本更高的粉末金属组合物制造，而该搅拌摩擦工具的摩擦轴肩表 面可由不同材料制造，该材料亦耐磨损但可具有增强的摩擦诱导特性，以最 大化该工具的加热和搅拌效果。其它的可能性包括形成由一种材料(可能是 用于卡制该工具的低成本材料)形成的搅拌摩擦工具的柄，而该搅拌摩擦工 具的其余的工作自由末端由不同材料制成，二者共同形成或各自形成然后结 合至一起。再一个示例可包括形成一种粉末金属组合物的搅拌摩擦工具的芯 或中心，而该搅拌摩擦工具的外部或护套由另一种材料制成。应当理解，材 料的组合及其相关配置因数量巨大而不能一一列举，因此本专利技术意在获得和 考虑使用粉末冶金以实现搅拌摩擦工具内梯度结构的宽泛概念。根据另一个方面，本专利技术提供了制造搅拌摩擦焊接工具的方法。 该方法包括压制粉末混合物并将该粉末混合物在环境压力而非真空下烧结。 该方法的另一个方面包括在连续型的熔炉内烧结该粉末混合物。该方法的再一个方面包括制备一种摩擦焊接工具，其包括分别地 压制该工具的至少两个分离的部分，并将二者彼此结合。该方法的另一个方 面包括烧结各个分离的部分的连接部分。附图说明结合以下详细描述和附图，本专利技术的这些和其它优点及特征将会 更容易地理解，其中图1是说明搅拌摩擦工具原理的立体示意图； 图2是说明摩擦焊接原理的平面示意图； 图3是搅拌摩擦焊接工具的端头末端的放大的部分示意图； 图4是搅拌摩擦焊接工具的端头末端的进一步放大示意图；以及 图5至9是根据本专利技术组成的不同实施方式的搅拌摩擦工具的横 截面示意图。具体实施例方式在搅拌摩擦焊中， 一带有成型探针的柱状的、带肩部的工具旋转， 并缓慢插设入邻接在一起的两片片材或板材材料之间的连接线。该部分的夹 紧方式使得当该工具插设入该结合部并沿其移动时可防止该相邻结合表面受 迫分离。在该耐磨损焊接工具和该工件材料之间产生磨擦热。该热量使后者 软化但不达到熔点，并允许该工具沿着连接线横穿。该塑化材料由该工具的 头部边缘(leading edge)转移到该搅拌针的后沿(trailing edge)，并且同该 销形状的搅拌头轴肩的紧密接触而被锻造。当该工具经过时，在两片之间产 生固相结合物。因为产生有容纳该搅拌针或端头的孔，该孔随后在焊接过程 中被填充，因而该工艺可认为是固相匙孔焊接技术。图1显示了根据本专利技术所采用的搅拌摩擦焊工具的搅拌摩擦焊的 大致原理。该搅拌摩擦工具显示为10，并可包括大致为柱状的柄12，其确保 工具IO卡制在旋转工具支持物(图未示)内。工具IO包括工作自由末端14， 其包括从工具10的自由末端14中央突出的柱塞端头或探针16。与该探针16 的自由末端间隔开的是肩部18。肩部18的表面20 (图3)和探针16的外部 直径表面22作为与至少两个工件24、 26相接触的功能表面，以实现搅拌摩 擦焊的形成。如上所述，当工具10旋转时，将探针16插设入工件24、 26之间 的对接的接缝28同时该工件10旋转。然后工具10以箭头A方向沿接缝18 向前推进。肩部18的表面20以箭头B方向受压，向下抵靠在位于接缝28任一侧的工件24、 26的上表面，以在该表面进一步锻造和搅拌该塑化金属， 从而横跨接缝28产生冶金焊接30。图1和图2显示了该工具形成接缝28的 过程及运行。搅拌摩擦焊工具10可呈现多种形状和特征。图3和4显示了工具 IO工作自由末端的一个实施方式。可以看出，探针16可以不是柱状，并具 有平面32。本专利技术不局限于该端头16任何具体的形状和/或尺寸，也不局限 于端头16上的表面的数量及形状。图3和图4进一步显示了具有凹陷的或凹 入的构造的肩部18的表面20。这可在多种材料的搅拌摩擦焊中起到作用， 但是本专利技术不局限于肩部18的表面20的任何具体形状。搅拌摩擦焊工具的 总体配置不局限于所披露的实施方式，该实施方式仅为示例性目的。可以预 期，任何配置为适于搅拌摩擦焊接的搅拌摩擦工具可能当前可用或者能够在 将来被开发。现讨论本专利技术的具体特征，至少搅拌摩擦焊接工具10的加工自由 末端14由己被压制并烧结成期望形状的粉末金属制造。粉末冶金的一个优点 是，它能够使搅拌摩擦工具接近净形(net shape)成型为理想的最终工具构 型而不需要对该工具的大量的后期制造加工或二次抛光操作。另一个优点是 它能够从宽泛的材料中进行选择，而这些材料在锻造型(wrought)搅拌摩擦 焊工具中可能是不可用的。在图5的一个示例中，整个搅拌摩擦焊工具10由相同的粉末金属 材料制造。例如，该工具可由铁基的预合金化粉末金属材料制造，例如M2 或H13工具钢。这些材料被压制，然后烧结为接近净形，并可能很少对该工 具使用二次成型抛光。在搅拌摩擦焊工具中使用粉末金属材料的优点在于，该材料的固 有多孔结构相比锻造材料增加了摩擦系数。相比锻造材料，使用粉末材料还 减少了热传导率。由于粉末金属工具比对应的锻造工具具有较少的热降效应 (heat sink effect),其可用于在工具/工件界面处保持更本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种搅拌摩擦焊工具，其具有由粉末金属材料制造的焊接端头。

【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：小丹尼斯克里斯托夫森，
申请(专利权)人：费德罗莫格尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]