同步冷卻的摩擦攪動焊接制造技術

對于難以焊接的材料，提供了一種在非常高的焊接速度下獲得表面粗糙度大大降低的焊縫的摩擦攪動焊接方法和裝置。該方法包括在焊接加工期間冷卻攪動焊接焊具，由此減小被軟化金屬粘附到焊具旋轉焊桿和臺肩上的傾向。該裝置包括帶內部空間或外套的焊具，在焊接期間，通過它們冷卻劑被吸入，以移走熱量冷卻焊具。在另一實施例中，此裝置包括一將冷卻劑噴射到焊接焊具遠端外表面上的裝置，由此，從焊具和周圍工件上移走熱量。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及摩擦攪動焊接的一種方法和裝置，尤其是，按照本專利技術可以去除在摩擦攪動焊接過程中所產生的余熱，從而得到較平滑的焊接表面。摩擦攪動焊接(FSW)是一種較新的焊接工藝，其用于將諸如金屬、塑料和其它在所施加的摩擦熱下軟化和混合的材料的工件連接到一起，以形成一整體連接。在專利公開號WO93/10935、WO95/26254，和美國專利5,460，317中，可以發現有關FSW裝置和工藝的詳細描述，這里將它們都作為參考文獻。在附圖說明圖1A和1B中顯示了一種FSW的實用裝置，如圖所示，以板10A＇和10B＇為例的兩個工件被對準，以便要被焊接到一起的板的邊緣以直接接觸的方式被固定到墊板12＇上。一FSW焊具W在其末端有一臺肩14＇和從臺眉的中心向下延伸的非熔化焊桿16＇。當旋轉焊具W＇同板10B＇和10A＇間的界面接觸時，旋轉焊桿16＇被迫與兩個板的材料接觸，如圖所示。焊桿在材料內的旋轉和臺肩與材料上表面之間的摩擦在焊接焊具和板界面之間產生大量的摩擦熱。這些熱量軟化了旋轉焊桿和臺肩附近的板材，引起材料混合，然后變硬，形成一焊縫。焊具沿板10A＇和10B＇間界面縱向移動，從而沿板間界面形成一細長焊縫。焊接焊具的臺肩14＇防止變軟的材料從板上向上逸出，并強迫材料進入焊縫。當完成焊接時，焊接焊具處于收起位置。對某些材料，用現有技術的摩擦攪動焊接方法焊接能得到平滑焊縫，但對于不可擠壓的鋁合金，由于材料粘附到焊接焊具的臺肩和焊桿上，嚴重地限制了最大主軸速度。對這些合金來說，例如鋁合金7075,2014,2090，和2024，當主軸速度增大時，輸入到焊縫的熱量相應地增加，焊縫的上表面的表面組織由于變得粗糙而降級。在更高的主軸速度和更高的輸入熱量下，鋁材就粘附、聚集在焊接焊具的臺肩上，從焊接表面的邊上撕去材料。對長焊縫來說，這種情況能引起過度的聚集，以致于不可能進行連續焊接。而且，過熱的焊接焊具有時能從焊接表面的中心撕去部分表面材料，在焊縫的上表面產生一“魚鱗”的外表，其沿焊縫的長度方向逐漸地惡化。對某些應用方面，這樣一個粗糙的焊接表面是不合要求的，它需要額外機械加工，以獲得光滑的表面。粗糙表面經常提供疲勞裂紋的產生點，因此一般是不希望的，特別是被用在能引起疲勞情況下的焊接工件，例如在施加交變載荷的條件下。對大多數應用而言，需要一種能產生不需后續的機加工就具有較低的表面粗糙度及均勻、光滑表面組織的焊縫的FSW方法。本專利技術提供了一種對于諸如不可擠壓鋁合金那樣難以焊接材料進行摩擦攪動焊接的方法和裝置，它能獲得比現有摩擦攪動焊接裝置所能獲得的更光滑的表面。焊接以更高的速度進行，并具有一商業上可接受的表面粗糙度，以便在大多數場合不需后續的機械加工。根據本專利技術，現已發現由于當焊接速度增加時，在摩擦攪動焊接期間焊具和被焊工件表面接觸所產生的過多熱量所引起的焊接表面粗糙度增大的原因，對不可擠壓材料，其焊接速度受到限制。使材料軟化以構成焊縫所需的熱量一定，余熱引起被軟化的材料粘附到摩擦攪動焊接焊具的旋轉焊桿和臺肩上。焊具反抗這些粘附力的旋轉和水平運動導致不規則的焊接表面。因而，本專利技術提供一種摩擦攪動焊接的方法，它包括在焊接加工期間同步冷卻的步驟，以除去余熱。此方法允許焊接速度大大地增加，優選的是至少增加約20％，更優選的是至少增加約100％，同時還保持一可接受的焊縫粗糙度。而且，本專利技術還提供一種用冷卻劑冷卻的摩擦攪動的焊接裝置。在一實例中，冷卻劑在焊具體內循環以去除余熱。在這個實例中，本專利技術的摩擦攪動焊接焊具有一焊具體，在焊具體的末端有一可旋轉的、通常不熔化的焊桿和臺肩，它們用來將工件攪動焊接到一起。焊具體有一與焊接焊具的焊桿以及最好也與焊接焊具臺肩熱傳導聯系的內部空間。此內部空間用來流通冷卻劑，以從焊具上去除余熱，包括從臺肩和焊桿上傳來的熱量。在另一實例中，熱量通過圍繞焊具體末端的外套從摩擦攪動焊接焊具上去除。此外套具有與冷卻劑源相通的進口和為排出熱的冷卻劑的出口。因而，當焊具在使用時，冷卻劑流過外套以從焊具上帶走熱量，以便從旋轉的焊桿和臺肩上帶走余熱。在又一實例中，在焊接期間，通過將冷卻劑(例如冷空氣或液體冷卻劑，如水)噴射到焊具上和被焊表面周圍而完成熱量的去除。更可取的是，被冷卻的焊具部分裝備有翅片，以便于熱量去除。根據本專利技術，即使對不可擠壓的鋁合金的摩擦攪動焊接也能以商業上可用的速度來獲得，它們具有商業上可用的較低的表面粗糙度的組織。通過參照下述詳細說明以及附圖，本專利技術的上述方面和附帶的優點將變得更易于理解。其中圖1A是現有技術摩擦攪動焊接焊具的示意圖；圖1B是顯示現有技術的摩擦攪動焊接焊具在使用時的示意性側視圖；圖2顯示了本專利技術的摩擦攪動焊接裝置，其包括一提供冷卻劑的噴嘴；圖3是本專利技術內部冷卻焊接焊具的一個實施例的橫剖示意圖；圖4是顯示本專利技術焊具帶外套實施例部分橫剖示意性側視圖；圖5是本專利技術焊具的帶有散熱片的實施例的空氣冷卻示意性側視圖；圖6A是顯示用現有技術的摩擦攪動焊接焊具得到的焊縫表面細節的光學顯微圖；圖6B是按照本專利技術得到的焊縫表面的光學顯微圖。根據本專利技術，從一摩擦攪動焊接焊具(FSW)上去除余熱，以減小焊具和被軟化的諸如不可擠壓鋁合金那樣的難以焊接材料之間的粘附程度，以便以較快的速度產生一具有較光滑表面的焊縫。這樣具有光滑表面的焊縫有很多潛在的優點，不僅在美學上，而且在降低疲勞裂紋和腐蝕產生的危險上。而且，這種焊縫的產生消除或減少了對焊縫進行進一步昂貴的機械加工以獲得光滑表面的需要。本專利技術也由于允許FSW焊具有較高的旋轉速度而提高了焊接速度。根據本專利技術的方法，當摩擦攪動焊縫形成時，從摩擦攪動焊接焊具上去除余熱。因而，去除熱量與焊接操作是同步進行的。本專利技術的方法和裝置適用于能經受摩擦攪動焊接的各種材料，尤其可用于難以實施摩擦攪動焊接的材料，諸如不可擠壓的鋁合金，如2024,7075，2014和2090合金。在現有技術中，為了得到沿工件延伸的不需后續的機械加工就具有商業上可接受的表面粗糙度的焊縫，這些合金一般以比可擠壓鋁合金低得多的速度被焊接。因而，對于四分之一英寸厚的可擠壓鋁合金，象合金6061，為了獲得光滑的焊縫，摩擦攪動焊接焊具可以1600rpm的轉速、每分鐘15英寸的速度來焊接；而對于不可擠壓的合金，就必須以較低的焊具旋轉速度和較慢的焊接速度來焊接。一般地，在現有技術中，八分之一英寸厚的不可擠壓合金，如合金2024，可以約500rpm的焊具轉速、每分鐘3.5英寸的焊接速度被焊接。這樣可得到遍及整個工件的不需后續的機械加工就具有可接受的表面粗糙度的焊縫。根據本專利技術，同樣的八分之一英寸厚的2024合金工件可以至少約800rpm的焊具轉速，每分鐘8英寸的速度被焊接，就能得到沿工件延伸的有著商業上可接受的光滑表面的焊縫。類似地，一7075鋁合金八分之一英寸厚的工件(不可擠壓合金)以1100rpm的焊具轉速、每分鐘13英寸的焊接速度被焊接，就能得到沿工件延伸的不需后續的機械加工就具有可接受的表面粗糙度的焊縫。在現有技術中，不使用本專利技術的焊具和方法，相同的7075合金工件以600rpm的焊具轉速被焊接，僅以每分鐘7英寸的速度才能獲得一焊縫。從上述內容可清楚地看出本專利技術在允許摩擦攪動焊接焊具轉速顯著增加的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種摩擦攪動焊接方法，它包括： （ａ）用一旋轉摩擦攪動焊接焊具來焊接由難以用摩擦攪動焊接的材料組成的工件； （ｂ）同步去除摩擦攪動焊接焊具所產生的余熱； 由此熱量的移去就能以較快的速度獲得較光滑的焊接表面，而不需機械加工焊接表面。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：凱文J科利根，
申請(專利權)人：波音公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]