通過(guò)線性摩擦焊接獲得的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)線性摩擦焊接方法焊接金屬構(gòu)件。更確切地，本發(fā)明涉及將包括 具有細(xì)長(zhǎng)晶粒的鍛制鋁構(gòu)件的兩個(gè)構(gòu)件焊接在一起。
【背景技術(shù)】
[0002] 線性摩擦焊接（LFW)是一種涉及到一個(gè)部件在另一個(gè)部件的面上以往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行受壓摩擦的焊接方法。往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生使界面處的材料變軟的摩擦熱，并且結(jié)合法向力，將 此最初界面材料作為飛邊（flash)推出。此過(guò)程繼續(xù)直到足夠的材料（通常幾毫米）已經(jīng) "熔化焊穿（burn-off) "并且已經(jīng)作為飛邊被排出為止，隨之振蕩停止并且兩個(gè)構(gòu)件被迅速 地對(duì)齊并且維持最終"鍛造力"來(lái)鞏固接合部。機(jī)械加工或研磨可以隨后去除在LFW過(guò)程 期間產(chǎn)生的飛邊。此方法最近已經(jīng)引起人們的興趣來(lái)裝配鋁合金。
[0003] 專利申請(qǐng)US 2003/0168494描述了一種構(gòu)造用于在形成機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)組件中 使用的預(yù)制件的方法，其中構(gòu)件被摩擦焊接。
[0004] 專利申請(qǐng)US 2007/0084905描述了一種使用摩擦焊接制作拼焊板的方法，其中結(jié) 構(gòu)構(gòu)件被設(shè)置有傾斜角。
[0005] 如在專利申請(qǐng)US 2006/054252中認(rèn)識(shí)到的，LFW的一個(gè)缺點(diǎn)是最終抗拉強(qiáng)度和延 伸率與母體金屬相比顯著下降。延展性的損失在某些情況下可以使得使用LFW裝配構(gòu)件不 切實(shí)際或甚至不可能。已經(jīng)提議使用進(jìn)一步熱處理以恢復(fù)鋁合金在LFW過(guò)程期間損失的強(qiáng) 度。
[0006] 應(yīng)注意，對(duì)于焊接組件，延伸率是應(yīng)變?cè)诤附訁^(qū)域之內(nèi)如何局部分布的至少部分 表示。在焊接區(qū)域中機(jī)械特性受影響，當(dāng)延伸率增加時(shí)，可能意味著焊接區(qū)域更小。
[0007] 根據(jù)結(jié)構(gòu)組件的大小和形狀，或許不可能實(shí)現(xiàn)焊接后熱處理；結(jié)構(gòu)組件在某些情 況下必須在被焊接和被進(jìn)一步機(jī)械加工時(shí)才被使用。即使當(dāng)實(shí)現(xiàn)焊接后熱處理時(shí)，進(jìn)一步 提高焊接接合部的機(jī)械特性將是有用的。
[0008] 本發(fā)明解決的問(wèn)題是提高通過(guò)線性摩擦焊接獲得的焊接接合部的機(jī)械特性。尤其 是，提高焊接組件的延伸率是有利的，其如解釋的涉及減小受焊接影響的區(qū)域的擴(kuò)展。還需 要改善焊接組件的強(qiáng)度特性和疲勞特性之間的平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的一個(gè)目的是一種通過(guò)沿著平坦表面焊接而形成物品的方法，該物品包 括：至少第一金屬構(gòu)件（10)和至少第二金屬構(gòu)件（11)，該第一金屬構(gòu)件為具有在縱向方向 (L10)上的細(xì)長(zhǎng)晶粒的鋁合金鍛制產(chǎn)品的形式，其根據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的 各向異性指數(shù)至少是4和/或根據(jù)ASTM E112在平面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是 1.5,其中
[0010] -該第一金屬構(gòu)件（10)被定位成與該第二金屬構(gòu)件接觸，使得細(xì)長(zhǎng)晶粒的所述縱 向方向（L10)被大體上定位在焊接平面之內(nèi)，
[0011] -該物品通過(guò)線性摩擦焊接形成。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是描述線性摩擦焊接方法的總圖。
[0013] 圖2例示根據(jù)用于限定晶粒定向的ASTM E112的標(biāo)記法。
[0014] 圖3例示用于實(shí)施例的標(biāo)記法。
[0015] 圖4例示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。
[0016] 圖5例不本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。
[0017] 圖6例示對(duì)于實(shí)施例1在強(qiáng)度和延伸率之間的平衡。
[0018] 圖7例示對(duì)于實(shí)施例2在強(qiáng)度和延伸率之間的平衡。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 合金是按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的鋁業(yè)協(xié)會(huì)（AA)的規(guī)定命名的。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 515中表明了冶金狀態(tài)的定義。
[0020] 除非另有規(guī)定，通過(guò)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 6892-1的抗拉測(cè)試確定靜態(tài)機(jī)械特性，或者 說(shuō)極限抗拉強(qiáng)度UTS、0. 2%偏移抗拉屈服應(yīng)力TYS以及斷裂延伸率E，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)EN 485-1 限定測(cè)試的采樣和方向。對(duì)于焊接組件，使用30mm的計(jì)量長(zhǎng)度計(jì)算TYS和E。
[0021] 在以下參數(shù)下根據(jù)ASTM E466-07針對(duì)測(cè)試樣本FPE 5A Kt 1. 032(具有3mm厚度 的平坦樣本）執(zhí)行疲勞測(cè)試：振蕩頻率：f = 50Hz，振蕩最大應(yīng)力：σ = 275MPa，最小應(yīng)力/ 最大應(yīng)力比：R = 0. 1，允許的最大循環(huán)數(shù)目：N = 1000000循環(huán)。
[0022] 圖1描述了線性摩擦焊接操作。兩個(gè)構(gòu)件（10)和（11)并排放置。一個(gè)構(gòu)件被放 置成沿著振蕩方向振蕩運(yùn)動(dòng)并且然后使所述兩個(gè)構(gòu)件接觸。構(gòu)件（10)(其例如是鍛造構(gòu) 件）被固定，然而構(gòu)件（11)(其則是振蕩構(gòu)件）正沿著振蕩方向（12)振蕩。
[0023] 法向力逐漸增加至設(shè)定摩擦壓力，振蕩的頻率和幅度也被設(shè)定。軟材料層不再能 夠支撐法向力并且被擠壓成"飛邊"。界面處的材料在此階段內(nèi)不再在滑動(dòng)摩擦下。
[0024] 振蕩運(yùn)動(dòng)在已經(jīng)達(dá)到如下期望的參數(shù)之后減?。喝刍复ㄓ糜谳S向縮短限制值 的LFW參數(shù)，單位mm)、絕對(duì)位置（單位mm)、時(shí)間（單位s)或者這三者的結(jié)合。兩個(gè)部件 被對(duì)齊，法向力增加高達(dá)鍛造壓力參數(shù)的值。此階段被稱為減速階段。最后，鍛造階段允許 所得接合部冷卻，同時(shí)維持軸向壓縮力一一鍛造壓力。
[0025] 對(duì)于給定的金屬合金，在給定的冶金回火中，焊接參數(shù)可以被優(yōu)化以在使用可能 的最快焊接速度的同時(shí)獲得其視覺(jué)質(zhì)量令人滿意且其機(jī)械強(qiáng)度和/或延伸率被最大化的 焊接。焊接參數(shù)基本上由振蕩幅度和頻率、摩擦壓力、鍛造壓力以及熔化焊穿（_)限定。
[0026] 本發(fā)明涉及至少第一金屬構(gòu)件（10)和至少第二金屬構(gòu)件（11)的線性摩擦焊接， 該第一金屬構(gòu)件為具有在縱向方向（L10)上的細(xì)長(zhǎng)晶粒的鋁合金鍛制產(chǎn)品的形式，其中根 據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是4和/或根據(jù)ASTM E112在平面 定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是1. 5。
[0027] 圖2示出鋁合金鍛制構(gòu)件（10)的晶粒定向，具有根據(jù)圖7的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E112的符 號(hào)。對(duì)于縱向定向的表面4晶粒的縱向方向是沿著測(cè)試線1(0° );或者對(duì)于平面定向的 表面/，:晶粒的縱向方向是沿著測(cè)試線P(〇° )。對(duì)于縱向定向的表面4晶粒的橫向方向是 沿著測(cè)試線1(90° );或者對(duì)于橫向定向的表面*，晶粒的橫向方向是沿著測(cè)試線t(90° )。 對(duì)于橫向定向的表面4晶粒的平面方向是沿著測(cè)試線t(0° );或者對(duì)于平面定向的表面 /，晶粒的平面方向是沿著測(cè)試線P(90° )。為了方便起見(jiàn)，在本申請(qǐng)中，晶粒的縱向方 向1(0° )、p(0° )也被稱為L(zhǎng)，橫向方向1(90° )、t(90° )也被稱為T(mén)，并且平面方向 t(0° )、p(90° )也被稱為P，用附加數(shù)字表示所考慮的構(gòu)件。例如，L10是第一構(gòu)件（10) 的縱向方向。
[0028] 典型地，鋁合金鍛制產(chǎn)品是已經(jīng)被充分加工以獲得細(xì)長(zhǎng)晶粒的乳制的、鍛造的或 擠壓的產(chǎn)品，其中根據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是4和/或根 據(jù)ASTM E112在平面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是1.5。優(yōu)選地，根據(jù)ASTM E112在 縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是6或者甚至至少是8,和/或根據(jù)ASTM E112在平 面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是2或者甚至至少是4。
[0029] 本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在LFW期間使用特定晶粒定向，可顯著提高焊接的機(jī)械 特性。通常，通過(guò)使細(xì)長(zhǎng)晶粒的縱向方向大體上垂直于焊接平面來(lái)焊接金屬構(gòu)件，因?yàn)闃?gòu)件 的機(jī)械特性在縱向方向上較高并且預(yù)期沿著此方向加載焊接物品是有益的。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)至少第一金屬構(gòu)件（10)的細(xì)長(zhǎng)晶粒的縱向方向（L10)被大體上定 位在焊接平面之內(nèi)時(shí)，如例如圖4中示出的，獲得提高的焊接性能。出人意料地，LFW期間 最經(jīng)典的晶粒定向，對(duì)于此定向細(xì)長(zhǎng)晶粒的方向大體上垂直于焊接平面，提供比本發(fā)明更 低的強(qiáng)度和/或延伸率。在本發(fā)明中，"大體上"意味著與嚴(yán)格地"在…之內(nèi)"條件或"垂直" 條件相比較存在數(shù)度的差別，典型地小于10度或甚至小于5度的差別，不顯著影響結(jié)果。