用在搅拌摩擦焊中的可扩张心轴和提供该心轴的方法技术

一种心轴（７２），其对由搅拌摩擦焊工具施加到管件（９０）或其它弧形表面外侧上的压力提供对顶力，其中，心轴（７２）可借助于楔形体（８２）实现扩张，且心轴（７２）能允许多个搅拌摩擦焊头同时在弧形表面上执行焊接操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及搅拌摩擦焊。更具体而言，本专利技术致力于提高对管件或其它弧形物体执行搅拌摩擦焊的能力，其中，需要利用心轴来提供对顶平衡力，以顶推着被焊接的弧形表面的内侧，由此来防止与弧形表面的外侧相接触的搅拌摩擦焊工具损坏被焊接的工件。
技术介绍
搅拌摩擦焊(下文称为“FSW”)是一种为焊接金属和金属合金而开发出的技术。FSW工艺通常涉及这样的操作利用旋转的搅动销杆或搅动轴杆将位于接缝两侧的两个相邻工件的材料接合起来。施加作用力以使轴杆与工件顶接在一起，利用轴杆与工件之间的相互作用来产生摩擦热，从而使位于接缝两侧的材料塑性化。轴杆沿着接缝来回移动，随着它的移动，材料被塑性化，处于前进着的轴杆的尾迹区中的塑化材料在冷却后就形成了焊缝。图1中的透视图表示了一种工具，该工具正在被用来执行搅拌摩擦焊，该工具的特征在于其大致为柱形的工具10，其具有肩部12和从肩部向外伸出的销杆14。销杆14抵接着工件16进行旋转，直到产生足够的热量为止，此时，工具的销杆插入到塑化的工件材料中。工件16通常是两块在接缝线18处抵接到一起的材料薄板或板件。销杆14在接缝线18处被插入到工件16中。由抵顶着工件材料16的销杆14旋转运动所产生的摩擦热使得工件材料软化，但不会达到熔融点。工具10沿着接缝线18横向移动，随着塑化的材料绕过销杆从前导边缘流到后边缘，就形成了焊缝。结果就在接缝线18处形成了固态相结合区20，与其它的焊接方法相比，该结合区与工件材料16自身基本上是没有区别的。可以注意到如果肩部12接触到工件的表面，则它的转动将产生额外的摩擦热，该摩擦热会使插入销杆14周围更大柱形条区内的材料塑化。肩部12产生了锻造力，其遏制了由工件销杆14造成的向上金属流动。在FSW过程中，待焊接的区域与工具相对地运动，以使得工具移过所需长度的焊接接缝。旋转着的FSW工具实现了持续的热加工作用，随着工具沿基体金属横向运动，使得狭窄区域内的金属塑化，同时将金属从销杆的前导面移送到了其后边缘。由于工具的行经过程没有产生液体，所以，随着焊区的冷却，通常不会出现凝固过程。情况往往是这样的(但并非始终如此)所形成的焊缝是没有缺陷的，并在焊接区域形成了再结晶的细晶粒微观结构。先前的专利文件已经提到了如下的好处能对那些以前被认为在实践中无法进行焊接的材料执行搅拌摩擦焊。这些材料中的某些材料是不可熔融焊接的，或者根本就难于进行焊接。这些材料例如包括金属基复合物、钢和不锈钢等的铁合金、以及有色材料。能利用搅拌摩擦焊的另一类材料是超耐热合金。超耐热合金可以是熔融温度较高的青铜材料或铝材料，且其中还可混有其它的元素。超耐热合金的某些实例是镍基、铁-镍基、以及钴基合金，它们通常被用在高于1000华氏度的温度中。通常被用在超耐热合金中的其它元素包括(但不限于此)铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽、以及铼。应当指出的是钛也是搅拌摩擦焊所需的材料。钛是有色金属材料，但其熔点要高于其它的有色材料。现有的专利教导了如下的内容所需要的工具通过这样的材料来形成，该材料的熔融温度高于被执行搅拌摩擦焊的材料的温度。在某些实施方式中，在工具中使用了超级研磨剂(superabrasive)。该专利技术的实施方式基本上涉及的是这些无实用可焊性的材料以及超耐热合金，在下文中，这些材料通篇都被称为“高熔融温度”材料。搅拌摩擦焊(FSW)技术方面的最新进展已开发出了这样的工具其可被用来在搅拌摩擦焊的固态结合过程中，将钢和不锈钢等的高熔融温度材料结合到一起。如上文已解释的那样，这种金属涉及到使用特定搅拌摩擦焊工具的问题。图2表示出了多晶立方氮化硼(PCBN)顶端30、锁紧轴环32、用于防止运动的热电偶安装螺钉34、以及杆体36。专利技术人的已有技术也示出了该工具的其它设计，这些设计包括整体式的工具和其它的设计结构。如果使用这种特殊的搅拌摩擦焊工具，能有效地对多种材料执行搅拌摩擦焊。在使用除PCBN和PCD(多晶金刚石)之外的各种工具顶端材料时，这种工具的设计也是有效的。某些此类材料包括难熔材料，例如钨、铼、铱、钛、以及钼等。在研制用于高熔融温度合金的搅拌摩擦焊技术方面，本专利技术人处于领先地位，其中的高熔融温度合金例如为钢、不锈钢、镍基合金、以及许多其它的合金。该技术通常需要采用多晶立方氮化硼的工具、液冷型的工具夹架、温度探测系统、以及用于控制搅拌摩擦焊过程的适当设备。在这种技术(现有文献将其称为当前技术状况)被确立为接合所述材料的领先方法之后，MegaDiamond公司和Advanced MetalProducts公司(一起被称为MegaStir Technologies)开始寻求能极大地获益于该技术的应用场合。搅拌摩擦焊(FSW)一个最大的应用就是对管线进行连接。由于人工劳动力的原因、用于焊接和移动所需部件而需要设备的原因，对管线进行连接的成本是很高的。图3表示了对典型管线执行熔融焊所需的劳动力和设备。图示的管道40上设置有多个焊接工位42(每个白色的围挡)，这些工位需要将焊条逐层地敷设上去，以便于在各个管段之间形成熔融焊接接缝。由于只需要较少的材料、并能获得更高的强度特性、且能降低管线的总成本，所以，在管线上应用了先进的高强度钢(AHSS)。传统采用的熔融焊接方法对于AHSS存在难度。在工业界，每个管线接缝带有一个缺陷或裂缝是可被接受的。接受这些缺陷的原因在于即使采用精细的自动熔融焊接系统，这些缺陷也无法被消除掉。对AHSS进行焊接要比对现有管线钢材进行焊接困难得多，原因在于这些材料的组分本身就会形成更多的熔融焊接缺陷。目前，FSW已被确立为连接管段的可行技术。图4中表示了一种已研制出的、用于连接管段的搅拌摩擦焊机50。转动的工具插入到接缝中，随之而产生摩擦热。在工具被插入到工件横截面中之后，使工具绕着管件圆周移动，同时将接缝“搅合”到一起。然后，将FSW工具撤出，并将焊机50沿管线移动到下一个需要执行搅拌摩擦焊的管线接缝处。图4中的搅拌摩擦焊机50展示了在待焊接管件的外部工作的焊机。任何形式的FSW都存在一个要求在被连接的工件的背面侧(工具的相反侧)存在对顶的平衡力。这一需求源于如下的事实工具向工件施加了很大的作用力。搅拌摩擦焊的这一本质需要为工件提供一定的支撑，以防止工件弯曲或被损坏。图5表示了旋转心轴60或“管撑架”的一种现有设计结构，目前，当利用搅拌摩擦焊来焊接管道时会使用该心轴。心轴60由液压驱动，以便于当工具在管件外部绕着管件接缝作圆周运动时能在管件的内部跟随工具的运动路线。当完成管件的接缝时，心轴60被重新设置，从而可移动到下一个管件接缝处。尽管该心轴60能有效地为位于相反侧的工具提供支撑，但液压装置和控制装置是昂贵的，因而管线的构建成本也很高。对直径为12英寸的管件执行FSW所需的心轴60如采用这样的设计，则其重量达到约800lb。这就意味着对心轴的移动需要额外的设备和支撑件。另外的缺陷在于该心轴结构还必须增加另外的液压装置和推压机构，以将两管段对齐，这进一步增加了心轴60的重量。尽管这种设计在本领域内是可行的，但心轴的设计最好是具有更轻的重量和更低的成本，这可提高管线FSW操作的速度，并降低成本。因而，需要一种更便宜、更简单、重量更轻的管撑架，其可被更容易地部署到生产现场。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用在管件的搅拌摩擦焊中的心轴，所述心轴包括：心轴壳体，其形成为中空的柱体，该柱体外径小于管件的内径，其中，该柱体在其上具有间隙，该间隙垂直于顶部边缘和底部边缘；以及用于扩张心轴壳体的装置，以将间隙扩宽到所需的宽度。

【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：SM帕克，JA芭布，RJ斯蒂尔，M拉塞尔，
申请(专利权)人：SII米加钻石公司，先进金属产品公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]