同步冷却的摩擦搅动焊接制造技术

对于难以焊接的材料，提供了一种在非常高的焊接速度下获得表面粗糙度大大降低的焊缝的摩擦搅动焊接方法和装置。该方法包括在焊接加工期间冷却搅动焊接焊具，由此减小被软化金属粘附到焊具旋转焊杆和台肩上的倾向。该装置包括带内部空间或外套的焊具，在焊接期间，通过它们冷却剂被吸入，以移走热量冷却焊具。在另一实施例中，此装置包括一将冷却剂喷射到焊接焊具远端外表面上的装置，由此，从焊具和周围工件上移走热量。（*该技术在2017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动焊接的一种方法和装置，尤其是，按照本专利技术可以去除在摩擦搅动焊接过程中所产生的余热，从而得到较平滑的焊接表面。摩擦搅动焊接(FSW)是一种较新的焊接工艺，其用于将诸如金属、塑料和其它在所施加的摩擦热下软化和混合的材料的工件连接到一起，以形成一整体连接。在专利公开号WO93/10935、WO95/26254，和美国专利5,460，317中，可以发现有关FSW装置和工艺的详细描述，这里将它们都作为参考文献。在附图说明图1A和1B中显示了一种FSW的实用装置，如图所示，以板10A＇和10B＇为例的两个工件被对准，以便要被焊接到一起的板的边缘以直接接触的方式被固定到垫板12＇上。一FSW焊具W在其末端有一台肩14＇和从台眉的中心向下延伸的非熔化焊杆16＇。当旋转焊具W＇同板10B＇和10A＇间的界面接触时，旋转焊杆16＇被迫与两个板的材料接触，如图所示。焊杆在材料内的旋转和台肩与材料上表面之间的摩擦在焊接焊具和板界面之间产生大量的摩擦热。这些热量软化了旋转焊杆和台肩附近的板材，引起材料混合，然后变硬，形成一焊缝。焊具沿板10A＇和10B＇间界面纵向移动，从而沿板间界面形成一细长焊缝。焊接焊具的台肩14＇防止变软的材料从板上向上逸出，并强迫材料进入焊缝。当完成焊接时，焊接焊具处于收起位置。对某些材料，用现有技术的摩擦搅动焊接方法焊接能得到平滑焊缝，但对于不可挤压的铝合金，由于材料粘附到焊接焊具的台肩和焊杆上，严重地限制了最大主轴速度。对这些合金来说，例如铝合金7075,2014,2090，和2024，当主轴速度增大时，输入到焊缝的热量相应地增加，焊缝的上表面的表面组织由于变得粗糙而降级。在更高的主轴速度和更高的输入热量下，铝材就粘附、聚集在焊接焊具的台肩上，从焊接表面的边上撕去材料。对长焊缝来说，这种情况能引起过度的聚集，以致于不可能进行连续焊接。而且，过热的焊接焊具有时能从焊接表面的中心撕去部分表面材料，在焊缝的上表面产生一“鱼鳞”的外表，其沿焊缝的长度方向逐渐地恶化。对某些应用方面，这样一个粗糙的焊接表面是不合要求的，它需要额外机械加工，以获得光滑的表面。粗糙表面经常提供疲劳裂纹的产生点，因此一般是不希望的，特别是被用在能引起疲劳情况下的焊接工件，例如在施加交变载荷的条件下。对大多数应用而言，需要一种能产生不需后续的机加工就具有较低的表面粗糙度及均匀、光滑表面组织的焊缝的FSW方法。本专利技术提供了一种对于诸如不可挤压铝合金那样难以焊接材料进行摩擦搅动焊接的方法和装置，它能获得比现有摩擦搅动焊接装置所能获得的更光滑的表面。焊接以更高的速度进行，并具有一商业上可接受的表面粗糙度，以便在大多数场合不需后续的机械加工。根据本专利技术，现已发现由于当焊接速度增加时，在摩擦搅动焊接期间焊具和被焊工件表面接触所产生的过多热量所引起的焊接表面粗糙度增大的原因，对不可挤压材料，其焊接速度受到限制。使材料软化以构成焊缝所需的热量一定，余热引起被软化的材料粘附到摩擦搅动焊接焊具的旋转焊杆和台肩上。焊具反抗这些粘附力的旋转和水平运动导致不规则的焊接表面。因而，本专利技术提供一种摩擦搅动焊接的方法，它包括在焊接加工期间同步冷却的步骤，以除去余热。此方法允许焊接速度大大地增加，优选的是至少增加约20％，更优选的是至少增加约100％，同时还保持一可接受的焊缝粗糙度。而且，本专利技术还提供一种用冷却剂冷却的摩擦搅动的焊接装置。在一实例中，冷却剂在焊具体内循环以去除余热。在这个实例中，本专利技术的摩擦搅动焊接焊具有一焊具体，在焊具体的末端有一可旋转的、通常不熔化的焊杆和台肩，它们用来将工件搅动焊接到一起。焊具体有一与焊接焊具的焊杆以及最好也与焊接焊具台肩热传导联系的内部空间。此内部空间用来流通冷却剂，以从焊具上去除余热，包括从台肩和焊杆上传来的热量。在另一实例中，热量通过围绕焊具体末端的外套从摩擦搅动焊接焊具上去除。此外套具有与冷却剂源相通的进口和为排出热的冷却剂的出口。因而，当焊具在使用时，冷却剂流过外套以从焊具上带走热量，以便从旋转的焊杆和台肩上带走余热。在又一实例中，在焊接期间，通过将冷却剂(例如冷空气或液体冷却剂，如水)喷射到焊具上和被焊表面周围而完成热量的去除。更可取的是，被冷却的焊具部分装备有翅片，以便于热量去除。根据本专利技术，即使对不可挤压的铝合金的摩擦搅动焊接也能以商业上可用的速度来获得，它们具有商业上可用的较低的表面粗糙度的组织。通过参照下述详细说明以及附图，本专利技术的上述方面和附带的优点将变得更易于理解。其中图1A是现有技术摩擦搅动焊接焊具的示意图；图1B是显示现有技术的摩擦搅动焊接焊具在使用时的示意性侧视图；图2显示了本专利技术的摩擦搅动焊接装置，其包括一提供冷却剂的喷嘴；图3是本专利技术内部冷却焊接焊具的一个实施例的横剖示意图；图4是显示本专利技术焊具带外套实施例部分横剖示意性侧视图；图5是本专利技术焊具的带有散热片的实施例的空气冷却示意性侧视图；图6A是显示用现有技术的摩擦搅动焊接焊具得到的焊缝表面细节的光学显微图；图6B是按照本专利技术得到的焊缝表面的光学显微图。根据本专利技术，从一摩擦搅动焊接焊具(FSW)上去除余热，以减小焊具和被软化的诸如不可挤压铝合金那样的难以焊接材料之间的粘附程度，以便以较快的速度产生一具有较光滑表面的焊缝。这样具有光滑表面的焊缝有很多潜在的优点，不仅在美学上，而且在降低疲劳裂纹和腐蚀产生的危险上。而且，这种焊缝的产生消除或减少了对焊缝进行进一步昂贵的机械加工以获得光滑表面的需要。本专利技术也由于允许FSW焊具有较高的旋转速度而提高了焊接速度。根据本专利技术的方法，当摩擦搅动焊缝形成时，从摩擦搅动焊接焊具上去除余热。因而，去除热量与焊接操作是同步进行的。本专利技术的方法和装置适用于能经受摩擦搅动焊接的各种材料，尤其可用于难以实施摩擦搅动焊接的材料，诸如不可挤压的铝合金，如2024,7075，2014和2090合金。在现有技术中，为了得到沿工件延伸的不需后续的机械加工就具有商业上可接受的表面粗糙度的焊缝，这些合金一般以比可挤压铝合金低得多的速度被焊接。因而，对于四分之一英寸厚的可挤压铝合金，象合金6061，为了获得光滑的焊缝，摩擦搅动焊接焊具可以1600rpm的转速、每分钟15英寸的速度来焊接；而对于不可挤压的合金，就必须以较低的焊具旋转速度和较慢的焊接速度来焊接。一般地，在现有技术中，八分之一英寸厚的不可挤压合金，如合金2024，可以约500rpm的焊具转速、每分钟3.5英寸的焊接速度被焊接。这样可得到遍及整个工件的不需后续的机械加工就具有可接受的表面粗糙度的焊缝。根据本专利技术，同样的八分之一英寸厚的2024合金工件可以至少约800rpm的焊具转速，每分钟8英寸的速度被焊接，就能得到沿工件延伸的有着商业上可接受的光滑表面的焊缝。类似地，一7075铝合金八分之一英寸厚的工件(不可挤压合金)以1100rpm的焊具转速、每分钟13英寸的焊接速度被焊接，就能得到沿工件延伸的不需后续的机械加工就具有可接受的表面粗糙度的焊缝。在现有技术中，不使用本专利技术的焊具和方法，相同的7075合金工件以600rpm的焊具转速被焊接，仅以每分钟7英寸的速度才能获得一焊缝。从上述内容可清楚地看出本专利技术在允许摩擦搅动焊接焊具转速显著增加的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦搅动焊接方法，它包括： （ａ）用一旋转摩擦搅动焊接焊具来焊接由难以用摩擦搅动焊接的材料组成的工件； （ｂ）同步去除摩擦搅动焊接焊具所产生的余热； 由此热量的移去就能以较快的速度获得较光滑的焊接表面，而不需机械加工焊接表面。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯文J科利根，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]