摩擦點焊和摩擦縫焊的制作方法
【專利說明】摩擦點焊和摩擦縫焊
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2013年1月22日提交的美國臨時專利申請No. 61/849, 224、2013年4 月30日提交的美國臨時專利申請No. 61/817, 510和2013年6月26日提交的美國臨時專 利申請No. 61/839, 562的申請日的權(quán)益。W上引用的臨時專利申請中的每一個據(jù)此W其全 文W引用的方式并入本文。
[0003] 領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明設(shè)及用于將第一材料層點焊到至少一個附加材料層的系統(tǒng)和方法，并且設(shè) 及用于將第一材料層搭接縫焊到至少一個附加材料層的系統(tǒng)和方法。
[000引背景
[0006] 點輝方法
[0007] 用于在兩種或更多種材料之間獲得搭接接縫的當(dāng)前已知的方法包括攬拌摩擦點 焊、電阻點焊、激光點焊、各種電弧焊接工藝、超聲波焊接和馴接。
[000引圖1A-1D描繪了攬拌摩擦點焊（FSSW)(攬拌摩擦焊接（FSW)的分支）的過程。如 圖所示，典型的FSSW順序包括（A)突進、做旋轉(zhuǎn)和似縮回。在圖ID中示出通過FSSW方 法產(chǎn)生的典型的攬拌摩擦點焊的橫截面圖像。如圖所描繪，F(xiàn)SSW焊接通過不可避免地保留 在焊接烙核中屯、的孔（在銷被抽出時留下）來表征。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該孔由于腐蝕和其它問題 而限制焊接組件的壽命。FSSW的"再填充模式"變體使用了由銷、肩部和外夾組成的工具W 使得能夠捕獲在突進順序期間擠出的閃光材料。隨后使所捕獲的閃光材料沉積回出口孔中 W形成與頂表面齊平的焊縫。雖然"再填充模式"消除了出口孔，但使用"再填充模式"產(chǎn)生 的焊接表現(xiàn)出與常規(guī)FSSW焊接相比較差的抗疲勞性能。目前，僅將FSSW工藝應(yīng)用于具有 低烙融溫度的材料諸如侶儀合金。用于焊接較硬的材料諸如鋼、不誘鋼、儀基合金等的FSSW 工藝的使用由于工具材料的高成本而受限。
[0009] 雖然電阻點焊不受與FSSW方法相關(guān)的孔形成問題的影響，但常規(guī)的電阻點焊既 表現(xiàn)出物理缺陷（例如，孔隙和裂縫），又表現(xiàn)出冶金缺陷（例如，顯微偏析和相位變換）。 具有高的碳當(dāng)量的鋼典型地需要進行附加的焊后退火處理。不同金屬點焊的一些組合可能 破裂。另外，需要更多的能量來完成對表現(xiàn)出高導(dǎo)電性的金屬（諸如銅和侶合金）的電阻 點焊。
[0010] 常規(guī)的激光點焊技術(shù)導(dǎo)致在形成于材料之間的接縫中尤其是在侶合金中產(chǎn)生孔 隙，并且高強度材料（例如，鋼）由于快速冷卻將會破裂。另外，常規(guī)激光設(shè)備成本較高。電 弧焊接工藝諸如氣體保護鶴極電弧點焊、氣體金屬電弧點焊、微束等離子電弧點焊等既表 現(xiàn)出物理缺陷（例如，孔隙和裂縫）又表現(xiàn)出冶金缺陷（例如，顯微偏析和相位變換）。超 聲波點焊典型地限于厚度小于Imm的薄片材料。常規(guī)的馴接方法產(chǎn)生機械結(jié)合而不是冶金 結(jié)合。通過所述馴接方法產(chǎn)生的接縫與通過其它常規(guī)方法產(chǎn)生的接縫相比較重并且具有相 對較差的性能。
[0011] 縫輝方法
[0012] 通常，將其中工件充分重疊W防止薄片邊緣成為焊縫的一部分的接縫分類為搭接 縫焊縫。可W將常規(guī)的搭接縫焊工藝分類為基于烙化的（包括電阻縫焊、激光束焊接、電子 束焊接、等離子弧焊接、硬針焊和軟針焊）和基于固態(tài)的（包括超聲波焊接和社制結(jié)合）。 通過常規(guī)的基于烙化的方法所產(chǎn)生的搭接縫焊縫通常存在各種各樣的問題，包括破裂、高 孔隙度、有害的冶金變化和高的殘余應(yīng)力。破裂、烙融金屬的排出和不清潔的工件表面都能 引起有缺陷的電阻縫焊縫。超聲波縫焊的局限性包括不能焊接大而厚的基底金屬W及基底 金屬結(jié)合到鐵化或超聲焊極的趨勢。社制結(jié)合（冷社結(jié)合和熱社結(jié)合）設(shè)及熱處理。金屬 諸如鐵和合金由于它們的反應(yīng)性和窄的工作溫度范圍而難W社制結(jié)合。
[0013] 通常，包覆是指填充金屬沉積在基體金屬上W賦予耐腐蝕特性、耐磨損特性或基 體金屬所不具有的一些所需特性。可W將常規(guī)包覆工藝分類為基于烙化的（包括電弧焊接 工藝、軟針焊、電子束焊接和激光束焊接）和固態(tài)焊接工藝（包括爆炸包覆、摩擦堆焊和社 制結(jié)合）。通過常規(guī)的基于烙化的方法所產(chǎn)生的包層金屬通常存在各種各樣的問題，包括 破裂、高孔隙度、有害的冶金變化和高的殘余應(yīng)力。在所述基于烙化的包層金屬中可能存在 高的稀釋比例（基底金屬在包層金屬中的量）。在沉積電弧包覆工藝（諸如工業(yè)中廣泛使 用的埋?。┲校♂尡壤湫偷胤浅８?。爆炸包覆典型地限于具有最小初性的金屬。摩擦 堆焊由于其不能W較少的時間產(chǎn)生較大的包層面積而受限。社制包覆（冷社包覆和熱社包 覆）設(shè)及熱處理。金屬諸如鐵和合金由于它們的反應(yīng)性和窄的工作溫度范圍而難W社制包 覆。
[0014] 常規(guī)地，使用加性制造方法W及加性和選擇性減性制造方法來制造分層的多材料 結(jié)構(gòu)組件。=維（3D)組件的逐層制造可由對象的計算機輔助設(shè)計（CAD)模式直接制造而 成。激光工程化凈成形、直接金屬沉積、選擇性激光烙融和電子束烙融被包括在視為加性制 造方法的多種工藝之內(nèi)，通過運些加性制造方法通過烙融和固化實現(xiàn)材料添加。由于運些 工藝中所設(shè)及的烙融和固化，通過運些技術(shù)制造的零件受到W下限制（參看圖2A-2G) :1) 未烙融區(qū)，運些未烙融區(qū)導(dǎo)致粉末顆粒之間缺乏結(jié)合；2)孔隙度；3)固化破裂敏感性；4) 鑄態(tài)顯微組織和顯微偏析，運導(dǎo)致組成上的不均勻性；5)顯著的拉伸殘余應(yīng)力聚集；6)大 組件較長的生產(chǎn)時間（構(gòu)造速率通常小于1克/分鐘）；W及7)剛性問題。很多不同的金 屬組合并不能通過運些工藝沉積，因為所產(chǎn)生的沉積層破裂。
[0015] 已使用固態(tài)加性制造方法（其中不存在液體到固體變換）解決基于液體到固體的 加性制造方法的很多缺點。超聲波固化扣C)是將要商業(yè)化的第一固態(tài)加性和選擇性減性 制造方法，并且被示出為克服基于烙化的方法的一些局限性。與基于烙化的加性制造方法 相比，UC是用于構(gòu)建近凈形零件的典型的加性和選擇性減性制造方法，隨后使用集成的3 軸CNC銳床來將該近凈形零件機械加工成其成品尺寸。然而，UC受到其自身主要局限性的 影響，包括如圖2A-2G所示錐間缺陷的形成。此外，在UC工藝中，如果基體剛性不夠，那么 在正沉積的錐與基體之間無法形成摩擦。另外，通過采用受熱基板在300 了下進行常規(guī)的 UC工藝。該工藝的主要局限性在于其可被應(yīng)用于幾微米厚的金屬層。因此，需要花費顯著 較長的時間來構(gòu)造3D組件。常規(guī)的UC工藝應(yīng)用于較高強度的合金諸如鐵由于所產(chǎn)生的不 一致的結(jié)合質(zhì)量和較差的通孔性能而非常受限。由于很難轉(zhuǎn)移界面上的工藝參數(shù)，因此UC 工藝需要附加的時間來固化較厚的薄片。因此，常規(guī)的基于烙化的和固態(tài)的加性制造方法 W及加性和選擇性減性制造方法受到物理限制、冶金限制和機械限制。
[0016] 因此，在相關(guān)領(lǐng)域中，需要用于在各種硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料之間形成牢固的搭接 接縫同時避免了常規(guī)點焊方法的物理缺陷和冶金缺陷的系統(tǒng)和方法。在相關(guān)領(lǐng)域中，進一 步需要用于在各種硬質(zhì)材料與軟質(zhì)材料之間形成牢固的搭接縫焊縫同時避免了常規(guī)縫焊 方法的物理缺陷和冶金缺陷的系統(tǒng)和方法。在相關(guān)領(lǐng)域中，進一步需要在包覆和加性制造 應(yīng)用中應(yīng)用運些搭接縫焊。
[0017] 概述
[0018] 在一個方面，本文描述了將上部材料層相對于焊接軸點焊到下部材料層的方法。 可W使上部材料層與下部材料層的至少一部分W覆蓋關(guān)系定位。上部材料層和下部材料層 可W具有相應(yīng)的頂表面和底表面。該方法可W包括使棒材相對于焊接軸軸向地前進和旋 轉(zhuǎn)，W使得棒材的遠(yuǎn)端接觸上部材料層的頂表面。該方法還可W包括向旋轉(zhuǎn)棒材施加軸向 力W使得棒材的遠(yuǎn)端與上部材料層之間的摩擦熱使上部材料層的一部分增塑。在上部材料 層的該部分增塑的情況下，該方法可W進一步包括向旋轉(zhuǎn)棒材施加軸向力W使得上部材料 層的底表面的一部分和下部材料層的頂表面的一部分變形，由此在上部材料層與下部材料 層之間形成冶金結(jié)合。該方法可W進一步包括使棒材相對于焊接軸軸向地縮回，W使得棒 材的遠(yuǎn)端脫離與上部材料層的頂表面的接觸。任選地，該棒材可為消耗性棒材?？蒞設(shè)想 的是，該棒材可W穿透到上部材料層的至少一部分中?？蒞進一步設(shè)想的是，該棒材的增塑 部分可W在棒材縮回之前填充腔體。
[0019] 還描述了用于實施所公開的點焊方法的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可W包括棒材，該棒材具 有與焊接軸基本上軸向?qū)R的縱軸。運些系統(tǒng)還可W包括用于使棒材相對于焊接軸選擇性 地軸向移動的裝置和用于使棒材圍繞棒材的縱軸選擇性旋轉(zhuǎn)的裝置。
[0020] 在另一個方面，本文描述了使上部材料層相對于垂直軸（Z軸）搭接縫焊到下部材 料層的方法?？蒞使上部材料層與下部材料層的至少一部分W覆蓋關(guān)系固定?？蒞使上部 材料層和下部材料層定位在垂直于垂直軸的平面內(nèi)。上部材料層和下部材料層可W被構(gòu)造 用于沿著焊接橫軸（X軸）和貫軸（y軸）移動。
[0021] 搭接縫焊的方法可W包括：使棒材相對于垂直軸軸向地前進和旋轉(zhuǎn)W使得棒材的 遠(yuǎn)端接觸上部材料層的頂表面；W及向旋轉(zhuǎn)棒材施加軸向力W使得棒材的遠(yuǎn)端與上部材料 層之間的摩擦熱使上部材料層的一部分增塑。在上部材料層的一部分增塑的情況下，該方 法可W包括向旋轉(zhuǎn)棒材施加軸向力W使得上部材料層的底表面的一部分和下部材料層的 頂表面的一部分變形。該方法可W進一步包括使上部材料層和下部材料層相對于焊接橫軸 軸向地前進所需長度，由此在上部材料層與下部材料層之間形成冶金結(jié)合。在完成焊接后， 該方法可W包括使棒材相對于垂直軸軸向地縮回，W使得棒材的遠(yuǎn)端脫離與上部材料層的 頂表面的接觸?？蒞通過在上部材料層和下部材料層相對于貫軸軸向移位后重復(fù)W上步驟 來形成多道縫焊縫。
[0022] 還描述了用于實施所公開的搭接縫焊方法的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可W包括棒材，該棒 材具有與垂直軸基本上軸向?qū)R的縱軸。運些系統(tǒng)還可W包括用于使棒材相對于垂直軸選 擇性地軸向移動的裝置、用于使棒材圍繞棒材的縱軸選擇性旋轉(zhuǎn)的裝置和用于使上部材料 層和下部材料層相對于焊接橫軸（W及任選地，貫軸）選擇性地軸向移動的裝置。
[0023] 本發(fā)明的附加優(yōu)點將部分地在隨后的描述中闡述，并且部分地從該描述將是顯而 易見的，或可W通過本發(fā)明的實踐習(xí)得。本發(fā)明的優(yōu)點將通過隨附權(quán)利要求中具體指出的 要素和組合實現(xiàn)和獲得。應(yīng)該理解，W上一般描述和W下詳細(xì)描述都僅是示例性和解釋性 的，而并不旨在限制所要求保護的本發(fā)明。
[0024] 附圖詳述
[00巧]本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的運些和其它特征在參照附圖進行的W下詳細(xì)描述中將 變得更加明顯，其中：
[002引圖1A-1D描繪了如本領(lǐng)域中所已知的示例性攬拌摩擦點焊（FSSW)工藝。圖1A-1C描繪了FSSW工藝的順序。圖ID是示例性FSSW焊接的橫截面圖像。
[0027] 圖2A-2G提供了指示常規(guī)焊接、包覆和加性制造方法的缺點的一系列圖像。
[0028] 圖3是用于如本文所述將上部材料層點焊到下部材料層的示例性旋轉(zhuǎn)棒材的示 意圖。
[0029] 圖4A-4B是使用本文所述的摩擦點焊方法所形成的示例性焊接的橫截面圖。
[0030] 圖5是描繪了如本文所述的示例性摩擦點焊方法的順序步驟的示意圖。
[003。 圖6A-6B是描繪了如本文所述示例性摩擦點焊方法的步驟的流程圖。
[0032] 圖7是用于如本文所述將上部材料層搭接縫焊到下部材料層的示例性旋轉(zhuǎn)棒材 的示意圖。
[0033] 圖8A-8C提供了如本文所述的示例性搭接縫焊系統(tǒng)的（a)棒材和材料層、化）固 定平臺和（C)控制面板。
[0034] 圖9是描繪了如本文所述的示例性搭接縫焊方法的步驟的流程圖。
[0035] 圖10是描繪了如本文所述的多道搭接縫焊縫的形成的示意圖。
[0036] 圖11是用于執(zhí)行本文所述的摩擦點焊方法的示例性系統(tǒng)的透視圖。圖12是圖11 的系統(tǒng)的側(cè)向透視圖。圖13是圖12的系統(tǒng)的沿著線13-13截取的橫截面圖。
[0037] 圖14-17是使用消耗性AISI304棒材實現(xiàn)的示例性點焊的圖像。
[003引圖18-20是使用消耗性C-Mn鋼棒材實現(xiàn)的示例性點焊的圖像。
[0039] 圖21-24是使用消耗性AISI304棒材和消耗性Inconel718棒材實現(xiàn)的示例性 點焊的圖像。
[0040] 圖25-32是使用非消耗性商業(yè)純鋼棒材實現(xiàn)的示例性點焊的圖像。
[0041] 圖33是使用非消耗性AISI304棒材在侶合金之間實現(xiàn)的示例性點焊的圖像。
[0042] 圖34-36是使用非消耗性AISI304棒材在非鐵金屬薄片之間實現(xiàn)的示例性點焊 的圖像。
[0043] 圖37-38是使用非消耗性AISI304棒材在不同金屬薄片之間實現(xiàn)的示例性點焊 的圖像。
[0044] 圖39顯示了在焊接已進行了剝離測試后，使用本文所述的摩擦點焊方法所實現(xiàn) 的示例性點焊的圖像。
[004引圖40A顯示了兩個CPMg薄片之間的示例性焊接的上部材料層的底表面的圖像。 圖40B顯示了圖40A所示焊接的掃描電子顯微鏡圖像。
[0046] 圖41顯示了使用本文所述的摩擦點焊方法所實現(xiàn)的示例性點焊的橫截面圖像。
[0047] 圖42-45是用于接合金屬的示例性摩擦縫焊縫（單道）的圖像。
[0048] 圖46A-50B是對于加性制造應(yīng)用來說具有類似化學(xué)組成的材料之間的示例性摩 擦縫焊縫（多道）的圖像。
[0049] 圖51A-53B是用于加性制造應(yīng)用的不同化學(xué)組成材料之間的示例性摩擦縫焊縫 (單縫）的圖像。
[0050] 圖54A-57B是用于包覆應(yīng)用的示例性摩擦縫焊縫的圖像。
[0051] 圖58A-61是示出在彎曲測試后各種摩擦縫焊縫的外觀的圖像。
[0052] 圖62-65C是示出在剪切測試后各種摩擦縫焊縫的外觀的圖像。
[0053] 圖66A和66B顯示了使用本文所述的摩擦縫焊方法在類似材料之間實現(xiàn)的示例性 縫焊縫的橫截面圖像。
[0054] 圖67是在腐蝕測試后在包覆層與基體層之間的示例性摩擦縫焊縫的橫截面圖 像。
[00巧]圖68A-68C描繪了在上部材料層與下部材料層之間具有經(jīng)過研磨的微通道的單 縫焊縫。圖69描繪了圖68A-68C的縫焊縫的射線照相圖像。圖70描繪了離開圖68A-68C 的縫焊縫的微通道的水。
[0056] 詳述
[0057] 通過參照W下詳細(xì)描述、例子、附圖和權(quán)利要求W及先前和W下對它們的描述，可 W更容易地理解本發(fā)明。然而，在公開和描述本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和/或方法之前，應(yīng)該理 解，本發(fā)明并不限于所公開的特定裝置、系統(tǒng)和/或方法，除非另有說明，因為所述裝置、系 統(tǒng)和/或系統(tǒng)必然會發(fā)生變化。還應(yīng)該理解，本文所使用的術(shù)語僅僅是出于描述具體方面 的目的而并非意在進行限制。
[0058] 本發(fā)明的W下描述被提供為W最佳的、當(dāng)前已知的實施方案實現(xiàn)對本發(fā)明的教 導(dǎo)。為此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到并理解，對本文所述發(fā)明的各個方面可W進行多種 變化，同時仍然獲得本發(fā)明的有益效果。同樣明顯的是，本發(fā)明的一些期望益處可W通過選 擇本發(fā)明的一些特征而不利用其它特征來實現(xiàn)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，對本發(fā) 明的許多改變和修改都是可能的，在某些情況中甚至可能是需要的，并構(gòu)成本發(fā)明的一部 分。因此，W下描述可被提供作為對本發(fā)明原理的說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0059] 如在全文使用，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該"包括復(fù)數(shù)個指代物，除非文中另有 明確說明。因此，例如，對"棒材"的引用可W包括兩個或更多個所述棒材，除非文中另有說 明。
[0060] 本文可將范圍表示為從"約"一個具體值和/或至"約"另一個具體值。當(dāng)表達運 樣一個范圍時，另一方面包括從該一個具體值和/或到該另一個具體值。類似地，當(dāng)使用先 行詞"約"將值表達為近似值時，應(yīng)理解，該具體值構(gòu)成另一方面。應(yīng)進一步理解，每個范圍 的端點相對于另一個端點W及獨立于另一個端點都是有意義的。
[0061] 本文所用的術(shù)語"任選的"或"任選地"是指，隨后描述的事件或情形可發(fā)生也可不 發(fā)生，和描述包括其中所述事件或情形出現(xiàn)的情況和其中所述事件或情形不出現(xiàn)的情況。
[0062] 本文所用的詞語"或"是指具體列表中的任一成員并且也包括此列表成員的任一 組合。
[0063] 本文所用的術(shù)語"使增塑"和"增塑"是指棒材、材料層和/或其它金屬或合成金 屬材料的較大變形和軟化。
[0064] 本文參照圖3-6B和11-13描述了用于將上部材料層14相對于焊接軸點焊到下部 材料層16的系統(tǒng)和方法?？蒞將上部材料層14與下部材料層16的至少一部分W覆蓋關(guān) 系定位。任選地，在一個方面，可W設(shè)想的是，上部材料層14的一個或多個邊緣可W與下部 材料層16的一個或多個對應(yīng)邊緣基本上對齊。在另一方面，上部材料層14和下部材料層 16可W具有相應(yīng)的頂表面和底表面（對于上部材料層，15a、巧b;而對于下部材料層，17曰、 1化）。在示例性方面，可W設(shè)想的是，上部材料層14和下部材料層16可WW薄片的形式來 提供。然而，可W設(shè)想的是，上部材料層14和下部材料層16可WW允許上部材料層的至少 一部分覆蓋下部材料層的至少一部分W使得上部材料層可W被焊接到下部材料層的任何 形式來提供。可W進一步設(shè)想的是，可W在上部材料層14與下部材料層16之間提供一個 或多個中間材料層，而不影響所公開的系統(tǒng)和方法在上部材料層與下部材料層之間形成點 焊的能力。
[0065] 可W設(shè)想的是，本文所公開的系統(tǒng)和方法可W實現(xiàn)與使用常規(guī)焊接方法所實現(xiàn)相 比更牢固的點焊，而不會在焊接材料中留下孔?？蒞進一步設(shè)想的是，本文所公開的系統(tǒng)和 方法可W用于將可W使用常規(guī)方法焊接在一起的多種材料（包括例如硬金屬和高導(dǎo)電性 材料）焊接在一起?？蒞進一步設(shè)想的是，本文所公開的系統(tǒng)和方法可W用于各種工業(yè)焊 接應(yīng)用，包括例如但不限于汽車工業(yè)、飛機工業(yè)、航空航天工業(yè)、核工業(yè)、海洋工業(yè)、化學(xué)工 業(yè)和加工行業(yè)中的應(yīng)用。
[0066] 摩擦點輝系統(tǒng)
[0067] 在示例性方面，可W提供用于將上部材料層14相對于焊接軸焊接到下部材料層 16的點焊系統(tǒng)。在一個方面，該點焊系統(tǒng)可W包括棒材10,該棒材具有夾頭端11、相對遠(yuǎn)端 12和縱軸13。在該方面，棒材10可W具有在約5mm至約25mm范圍內(nèi)的直徑。可W設(shè)想的 是，在如本文所公開使用棒材10形成點焊之前，該棒材可W具有在約50mm至約IOOmm范圍 內(nèi)的縱向長度（從棒材的夾頭端11到遠(yuǎn)端12)?？蒞進一步設(shè)想的是，棒材10的縱軸13 可W與焊接軸基本上軸向?qū)R。在示例性方面，棒材10可W相對于其縱軸13軸向成錐形。 雖然在本文一般描繪和描述為是具有圓形截面的基本上圓柱形的棒材，但可W設(shè)想的是， 棒材10可W