用于摩擦搅拌焊接高温材料的砧板制造技术

本发明专利技术提供了一种摩擦搅拌焊接砧板（１４）和一种生产能消除砧板扩散结合或机械结合到工件（１０Ａ，１０Ｂ）上的摩擦搅拌焊接砧板（１４）的方法。用于生产这样一种砧板的方案包括用例如氧化物、氮化物、金属间化合物，和／或耐熔金属的扩散隔层涂覆砧板；用同样的材料制造整个砧板或砧板的一部分；将这种材料的涂层（２６）以薄片或粉末的形式放置在砧板（１４）和工件（１０Ａ，１０Ｂ）之间。在此公开的砧板（１４）既使在高温下也显示出高强度和硬度，如８００℃以上的高温，从而防止砧板（１４）机械结合或扩散结合到工件（１０Ａ，１０Ｂ）上，并且使砧板变形减到最小或完全消除。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及摩擦搅拌焊接，更特别地，涉及用在摩擦搅拌焊接过程中的砧板，该砧板涂覆有一种物质或者用该物质制造而成，当摩擦搅拌焊接高温材料或工件时，这种物质能够抵抗砧板变形并且防止砧板和摩擦搅拌焊接工具或工件之间的扩散结合或机械结合。
技术介绍
摩擦焊接已经在焊接工业领域中使用多年。例如，当两个管子的末端压在一起并同时往相反方向旋转时就会产生热并导致管子的末端塑化且结合在一起。快速停止管子旋转会使得两个管子熔合在一起。另一方面，摩擦搅拌焊接是一种相对较新的技术，它在1995年10月24日发布的美国专利No.5,460,317中首次得到阐述。摩擦搅拌焊接包括在两个工件相互接触点处将一个带有成型探头端的不可熔的摩擦搅拌焊接工具压在两个工件上。当它压在两个工件上时，工具的探头端的周期运动会产生热。工具的探头端进入或者插入到两个工件中由探头端摩擦生成的塑化区域。接着探头端缓慢地移动到两个工件相互邻接的区域，从而使得位于探头端下方的两个管子之间的区域能够一起固化。摩擦搅拌焊接有很多优点。其中包括受热的材料在摩擦搅拌焊接中不会暴露于燃烧产物。这会减少工件中因为工件与工具及其副产品之间的分界面引起的化学变化。摩擦搅拌焊接的另一个优点是工件的温度不会变得与传统的焊接加工产生的温度一样高，即使在受热区域中也是如此。这种降低了的温度会削弱因为环境大气引起的工件的氧化，从而减少了在焊接位置处提供惰性气氛的需要。由于探头端的磨损，摩擦搅拌焊接传统上限于焊接低熔点材料，如铝合金、铜合金、铅镁合金等。使用标准的钢背支承或砧板可以有效地连接这些材料。但是，技术上的最新进步使得摩擦搅拌焊接可用于比较坚固的、以前不可焊接的材料。为了连接一些所谓的如钢、不锈钢、镍合金或钛合金等“高温材料”，必须采用更高的温度，使用更强的力。这些更高的温度和更强的力产生了新问题。例如，如此高的温度会导致工件扩散结合或机械结合到砧板上。而且，高温工件的摩擦搅拌焊接可能导致不需要的和额外的砧板变形。本领域目前的趋势是在连接高温材料时避免探头端完全熔透，以降低工件扩散结合或机械结合到砧板上的可能性。然而，如果探头端只少量熔透到接缝中，那么接缝只有一部分受热并接合，这样的焊接就不如焊接被完全熔透进接缝区域时那样坚固。另外，材料在整个焊缝上没有得到完全塑化，引起部分表面上的焊接区域呈搭焊状态，在该区域中，来自一个工件上的材料部分地重叠到相邻工件的材料上，而不是与之完全结合。这种焊接的缺陷并不总是显而易见的，或者至少在前期检查中并不总是能够看出来的。本领域的最新趋势是获得完全熔透的焊接。很多专利技术涉及到给砧板或工件增加倒角或凹槽。(参见美国专利No.5,611,479和5,769,306)。另外，很多专利致力于使用反馈控制系统来控制销的深度，从而控制熔透的程度。(参见美国专利No.6,168,066和6,173,880)。美国专利No.6,168,066包括有一个陶瓷传感器片，它用来感知磁场和涡流来控制磁摩擦搅拌焊接工具在比较软的非磁性材料中的深度。因此，提高现有技术或者即使采用其它技术来代替现有技术都是本领域的进步。专利技术概述本专利技术的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它在工件和砧板之间形成了一层扩散隔层。本专利技术的一些实施方式提供了一种改进的摩擦搅拌焊接砧板，它能够焊接那些通常认为是“刚性的”而难于用传统的摩擦搅拌焊接砧板来焊接的材料和工件。进一步地，本专利技术的一些实施方式提供了一种改进了的摩擦搅拌焊接砧板，它能够完全熔透焊接那些目前难于用传统的摩擦搅拌焊接砧板来摩擦搅拌焊接的材料。本专利技术的一些实施方式提供了一种改进了的摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接高温工件和材料时，它能够防止因砧板引起的常规变形。本专利技术的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它能够防止工件和砧板之间的扩散结合。另外，本专利技术的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，当摩擦搅拌焊接时，它能够防止工件和砧板之间的机械结合。本专利技术的一些实施方式提供了一种摩擦搅拌焊接砧板，它涂覆有至少一种化学性质不活泼的材料或者用该材料制造而成，该材料在工件和砧板之间形成了一层扩散隔层。此外，本专利技术的一些实施方式提供了多种可用于涂覆或者制造砧板的材料，以获得比当前摩擦搅拌焊接砧板更高的性能。对本领域熟练技术人员而言，专利技术的进一步特征和优点在结合附图理解下面的详细说明的基础上是显而易见的。在一种最佳实施方式中，提供了一个系统，其中摩擦搅拌焊接砧板是用一种化学性质不活泼的材料制造而成的，例如氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐。在此实施方式中，砧板通常是一个平板或转台，它在摩擦搅拌焊接时支承工件。除了由前面提到的材料制造砧板之外，另外还可用化学性质不活泼的材料来涂覆砧板。下面是用前面引用的材料应用或制造砧板的一些其它方法。在一种实施方式中，砧板是通过直接将化学性质不活泼的材料喷涂到金属砧板上制造而成的。另外，砧板还可通过化学沉积或蒸汽沉积来涂覆上化学性质不活泼的材料。砧板还可通过阳极氧化或离子束烧结来涂覆上化学性质不活泼的材料。进一步地，砧板还可以是一个由化学性质不活泼的材料组成的完整的衬垫或者砧板还可以涂覆上粉末状的化学性质不活泼的材料。进一步地，砧板还可以通过粘合液涂覆上粉末状的化学性质不活泼的材料。另外，可以通过产生和结合化学性质不活泼的材料来为砧板涂覆上化学性质不活泼的材料，这种产生和结合是通过反应或变化同时发生的。根据本专利技术的实施方式，砧板的几何形状或外形可为了实现更多的具体目标而变化，前提是砧板至少部分涂覆了化学性质不活泼的材料或者由化学性质不活泼的材料组成。另外，根据本专利技术的实施方式，任何化学性质不活泼的涂层，包括与作为第二或第三元素的氧、氮、碳或硅结合分别形成氧化物、氮化物、碳化物或硅酸盐的金属在内，都提高了砧板的性能。进一步地，根据本专利技术的实施方式，包括化学性质不活泼的材料的任何化学性质不活泼的涂层，例如但不限于金刚石，都提高了砧板的性能。本专利技术实施方式的原理使得在摩擦搅拌焊接一些材料的过程中能够完全熔透，这是因为工具没有粘住砧板或工件，从而改进了焊接，其中，这些材料传统上不可用摩擦搅拌焊接，如钢材、钛和其它高温材料。本专利技术的这些和其它特征和优点将在下面阐述出来，或者在后面的说明和附属权利要求中变得更加明显。其中，这些特征和优点可通过那些特别在附属权利要求中指出的器械和组合来实现和获得。进一步地，专利技术的特征和优点可以通过应用专利技术得知，或者通过在下文中阐述的说明变得显而易见。附图的简要说明为了获得上文叙述的方式和本专利技术的其它特点及优点，将参照特定实施方式提供一个本专利技术更详细的描述，实施方式阐述在附图中。应当理解附图只描述本专利技术典型的实施方式，因此，不能被认为是对专利技术范围的限制，本专利技术将通过采用附图描述和解释附加特性与细节，其中 附图说明图1是一幅表示待焊接表面的横截面视图，其中图包括工件和支承砧板的两个结合面；图2是另一幅表示待焊接表面的横截面视图，表示摩擦搅拌焊接工具在工件内工作；图3描绘用传统砧板焊接后的表面的横截面视图；图4描绘用在此公开的本专利技术的实施方式焊接后的表面的横截面视图；图5表示一幅横截面视图，该视图描绘了待焊接的表面并进一步描绘了在砧板上的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构造成在摩擦搅拌焊接中使用的砧板，其包括：芯，其构造成用于支承通过摩擦搅拌焊接方法焊接在一起的材料；一种化学性质不活泼的材料，该材料包含在下列之一中：（ｉ）所述芯；和（ｉｉ）施加在所述芯的至少一部分上的涂 层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特M帕克，特蕾西W纳尔逊，卡尔D索伦森，
申请(专利权)人：布莱阿姆青年大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]