專利名稱：使用超級研磨工具的摩擦攪動焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及摩擦攪動焊接，其中為形成焊接的熱量是通過將一工具的轉(zhuǎn)動銷插入工件而產(chǎn)生的。更具體來說，本發(fā)明涉及用于摩擦攪動焊接過程中的新工具，它使本發(fā)明可用于焊接采用現(xiàn)有技術(shù)的摩擦攪動焊接方法及工具在機(jī)能上不能焊接的材料，所述材料包括鐵合基金如不銹鋼，以及只含少量或根本不含鐵材料的熔點(diǎn)較高的超級合金。
摩擦焊接的一個實(shí)例是在兩個管件的端部壓在一起，一個管件牢固保持在位，而另一管件壓在其上并轉(zhuǎn)動時發(fā)生的。由于摩擦生熱，管件端部被塑化。通過迅速停止管件轉(zhuǎn)動，兩管件熔合在一起。應(yīng)注意的是，在這種情形中，摩擦生熱是通過兩個待接合零件的相對運(yùn)動而引起的。
對比來說，

圖1是用于摩擦攪動對焊的工具的立體圖，其特征是，一個基本圓柱形的工具10具有一個肩部12和一個從肩部向外延伸的銷子14。銷子14抵靠工件16被轉(zhuǎn)動，直至產(chǎn)生足夠的熱量，其中工具的銷子插入被塑化的工件材料。工件16往往是在一條接合線18上對接的兩個片材或板材。銷子14在接合線18上插入工件16。銷子14抵靠工件16的材料轉(zhuǎn)動引起的摩擦熱量使工件材料軟化而不達(dá)到熔點(diǎn)。工具10沿接合線18橫向移動，從而隨著塑化的材料圍繞銷子從前緣流向后緣而形成一條焊縫。其結(jié)果是在接合線18上形成固態(tài)結(jié)合部20，它與工件16的材料基本上是無法區(qū)分的。
現(xiàn)有技術(shù)中有許多關(guān)于摩擦攪動焊接的專利，這些專利公開了采用這種技術(shù)來得到焊縫的好處，這種焊縫具有超過同時代的熔焊工藝的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括在長焊縫中的低變形、無煙霧、無孔隙、無濺潑和與抗拉強(qiáng)度相關(guān)的極好機(jī)械性能。另外，這種方法具有的優(yōu)點(diǎn)是使用無消耗的工具、無需填料絲、無需氣罩和容忍不良的焊接準(zhǔn)備工作如在焊接區(qū)有氧化物。這種方法對于防止顯著的熱損傷或改變被焊接的原來材料的性質(zhì)是特別有益的。
但是，工業(yè)界長期以來的一個愿望是能夠焊接目前在功能上不能用摩擦攪動焊接法焊接的材料。因此，雖然摩擦攪動焊接是用于焊接非鐵合金如鉛、黃銅和青銅的很優(yōu)越的技術(shù)，但是一直沒有能夠在功能上焊接具有較高熔點(diǎn)的材料的工具。顯然，功能上能夠焊接的材料是那些能夠使用摩擦攪動焊接法在長于標(biāo)稱長度上可焊接而不損壞工具的材料。
不幸的是，熔焊改變或損傷在焊縫上的合金，因而由于在焊接過程中在焊縫中形成的缺陷或不利的狀態(tài)而危及焊縫。在某些情形中，已經(jīng)加入原來的工件材料中以形成合金的非金屬加強(qiáng)材料在焊縫上被耗盡。結(jié)果使焊縫具有與原來的工件材料的未改變區(qū)域不同的性質(zhì)和特點(diǎn)。
直到現(xiàn)在，采用傳統(tǒng)的摩擦攪動焊接，工具或探針顯著磨損以便防止MMCs、鐵合金及超級合金等材料的功能性焊接，這一直是摩擦攪動焊接的性質(zhì)。如果傳統(tǒng)的工具能夠開始摩擦攪動焊接，那么，磨損會很嚴(yán)重，以致只是一個短距離后探針就會被撕開。例如，某些合金引起探針上的磨損，只焊接幾英寸的距離后它就不再發(fā)揮作用。
不幸的是，當(dāng)探針故障后，一般不能簡單地插入一個新的工具來開始摩擦攪動焊接過程。如果焊縫不連續(xù)且是不間斷的，由于機(jī)械性弱點(diǎn)它是無用的。另外，工具的一部分一般留在工件材料內(nèi)，也會加重機(jī)械性弱點(diǎn)。
因此，提供一種用于摩擦攪動焊接法的新工具，使材料能夠較長連續(xù)及不間斷焊接運(yùn)行(功能性焊接)，將是對現(xiàn)有技術(shù)的一個進(jìn)步，而這種較長連續(xù)且不間斷焊接運(yùn)行在一個短距離后就會使傳統(tǒng)工具失效。如果新工具能夠摩擦攪動焊接那些以前很難用傳統(tǒng)的摩擦攪動焊接工具焊接的材料，那么，這也是對現(xiàn)有技術(shù)的一個進(jìn)步。如果提供一種能夠用傳統(tǒng)的工件材料進(jìn)行摩擦攪動焊接，同時表現(xiàn)出改善的工具磨損特性，那么這也是一個進(jìn)步。
希望用摩擦攪動焊接，但功能上不能用傳統(tǒng)工具的第一類材料為金屬基體復(fù)合材料(MMCs)。金屬基體復(fù)合材料是具有金屬相和陶瓷相的材料。陶瓷相的實(shí)例包括碳化硅和碳化硼。金屬基體復(fù)合材料中常用金屬為鋁。
金屬基體復(fù)合材料具有需要的剛性和磨損特性，但是，它們也具有低的斷裂韌性，因而限制了應(yīng)用。金屬基體復(fù)合材料用途的一個良好實(shí)例是在機(jī)動車輛上的盤式制動器轉(zhuǎn)子，其中韌性、強(qiáng)度及磨損都優(yōu)于現(xiàn)有材料，較大的脆性一般不成問題。金屬基體復(fù)合材料使這種轉(zhuǎn)子輕于鑄鐵，陶瓷相如碳化硅使耐磨性更大。
金屬基體復(fù)合材料的其它重要應(yīng)用包括但又不限于驅(qū)動軸、缸襯、發(fā)動機(jī)連桿、飛機(jī)著陸裝置、飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件、自行車框架、高爾夫球桿、輻射性屏蔽構(gòu)件、衛(wèi)星和航空結(jié)構(gòu)等。
需要摩擦攪動焊接并且具有大得多的工業(yè)應(yīng)用的第二類材料是鐵合金。鐵合金包括鋼和不銹鋼?？赡艿膽?yīng)用范圍很大，包括造船、航空航天、鐵路、建筑和運(yùn)輸業(yè)。僅不銹鋼的市場就至少比鋁合金市場大五倍。已經(jīng)確定，鋼和不銹鋼占焊接制品的80％以上，極為需要能夠進(jìn)行摩擦攪動焊接。
最后，需要摩擦攪動焊接并且具有廣闊工業(yè)應(yīng)用、具有比鐵合金高的熔點(diǎn)、具有小量鐵或不含鐵的第三類材料是超級合金。超級合金是鎳基、鐵-鎳基、鈷基合金，一般用于高于1000°F的溫度。在超級合金中的附加元件包括但又不限于鉻、鉬、鎢、鋁、鈦、鈮、鉭和錸。
應(yīng)注意的是，鈦也是需要摩擦攪動焊接的材料。鈦是非鐵材料，但具有比其它非鐵材料高的熔點(diǎn)。
至今為止，創(chuàng)造一種能夠功能性地焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金的工具一直存在嚴(yán)重的困難。在發(fā)明人最初想要改進(jìn)可摩擦攪動焊接非鐵基合金的現(xiàn)有工具的實(shí)驗過程中，上述一些問題只是變得明顯了。下面將描述這種工具的這些困難和進(jìn)展，以便使讀者能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于摩擦攪動焊接的新工具，它具有超過傳統(tǒng)工具的改善的磨損特性。
本發(fā)明的另一個目的是使提供的新工具包括超級研磨材料，它能夠摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、超級合金、以及非鐵基合金。
本發(fā)明的另一個目的是使提供的新工具能夠改善對非鐵基合金的焊接特性。
本發(fā)明的另一個目的是使提供的新工具能夠降低焊接材料的精加工成本。
本發(fā)明的另一個目的是使提供的新工具具有改善的幾何形狀，以便在摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金時減少工具的磨損。
本發(fā)明的另一個目的是減少新工具的熱、機(jī)械磨損和化學(xué)蝕損。
本發(fā)明的另一個目的是提供對新工具的熱管理。
在一個推薦實(shí)施例中，本發(fā)明為一個用于摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金的工具，該工具包括一個柄部、一個肩部和一個穿過肩部進(jìn)入柄部設(shè)置的銷子，其中銷子和肩部至少包括超級研磨材料構(gòu)成的涂層，銷子和肩部設(shè)計得可減小應(yīng)力梯級，圍繞肩部的一部分和柄部設(shè)有一個環(huán)套，從而制止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動，通過在肩部和柄部之間，以及在環(huán)套和工具之間設(shè)置熱流阻擋層而進(jìn)行熱管理。
在本發(fā)明的第一方面中，柄部、肩部和銷子是獨(dú)立的構(gòu)件，它們結(jié)合在一起形成摩擦攪動焊接工具，其中，肩部和柄部包括超級研磨材料涂層。
在本發(fā)明的第二方面中，柄部和肩部是一個整體構(gòu)件，包括在其至少一個部分上的超級研磨材料涂層，并具有一個帶有超級研磨材料涂層的獨(dú)立的銷子。
在本發(fā)明的第三方面中，柄部、肩部和銷子是整體構(gòu)件，在其一部分上具有超級研磨材料涂層。
在本發(fā)明的第四方面中，使用熱流阻擋層在工具內(nèi)的熱管理使足夠的熱量在銷子上產(chǎn)生，從而能夠進(jìn)行摩擦攪動焊接，同時保護(hù)工具座架，使其免于熱損傷。
在本發(fā)明的第五方面中，在銷子上減小了應(yīng)力梯級，較大的半徑設(shè)置在肩部上，并且銷子直徑增大，從而能夠摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金。
在本發(fā)明的第六方面中，工具包括至少一個化學(xué)氣相淀積(CVD)、離子束植入、和/或DVD涂層設(shè)置在超級研磨材料涂層上、從而增加對化學(xué)蝕損和機(jī)械磨損的耐力。
在本發(fā)明的第七方面中，工具涂有細(xì)絲加強(qiáng)的超級研磨材料，以便減少超級研磨材料涂層的剝落。
在本發(fā)明的第八方面中，沿工具縱軸線設(shè)置平面以防止在工具平移運(yùn)動過程中工具分成分構(gòu)件。
在本發(fā)明的第九方面中，超級研磨材料涂層是根據(jù)化學(xué)蝕損和機(jī)械磨損之間的平衡而選擇的。
在本發(fā)明的第十方面中，超級研磨材料涂層是根據(jù)具有防止工件材料附著在工具上的低摩擦系數(shù)的特性而選擇的，從而減小了工具的磨損。
下面對照附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，使本專業(yè)技術(shù)人員理解本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征、優(yōu)點(diǎn)和替代方案。
圖2A是按照本發(fā)明的原理制成的推薦實(shí)施例的側(cè)剖圖。
圖2B是圖2A所示工具的端視圖。
圖3是一個替代實(shí)施例的剖視圖，其中，柄部、肩部和銷子都是獨(dú)立構(gòu)件。
圖4是另一個工具替代實(shí)施例的剖視圖，其中，穿過柄部的長度設(shè)有一個孔，以利于銷子的更換。
圖5是另一個工具替代實(shí)施例的側(cè)面圖，其中，柄部、肩部和銷子是整體構(gòu)件。
圖6A是用作銷子的端銑刀坯件的側(cè)面圖，這種銷子具有螺旋槽，其中設(shè)置超級研磨材料。
圖6B是圖6A的端銑刀坯件的端視7A是另一個工具替代實(shí)施例的剖視圖，其中柄部也用作一個鎖緊環(huán)套。
圖7B是能機(jī)械鎖緊以防止肩部相對于柄部滑動的表面不規(guī)則性的特寫側(cè)面圖。
圖7C是能機(jī)械鎖緊以防止肩部相對于柄部滑動的表面不規(guī)則性的特寫側(cè)面圖。
圖8是一個銷子的側(cè)剖圖，該銷子具有表面變形，用于在工件材料中形成圍繞銷子的轉(zhuǎn)移或紊流。
圖9A是一個銷子的端視圖，該銷子包括在銷子上的平面形式的表面變形，用于形成圍繞銷子的轉(zhuǎn)移或紊流。
圖9B是一個銷子的端視圖，該銷子包括在銷子上的不規(guī)則表面形式的表面變形，用于形成圍繞銷子的轉(zhuǎn)移或紊流。
圖10是一個工具的側(cè)剖圖，該工具具有一個偏心銷或凸輪，用于形成圍繞銷子的轉(zhuǎn)移或紊流。
本發(fā)明的推薦實(shí)施例為一種工具，在銷子和肩部中使用了超級研磨材料，并且在工具內(nèi)利用了對熱的控制，以便摩擦攪動焊接本來在功能上不能焊接的材料。因此，本發(fā)明使金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金的長、連續(xù)且不間斷的焊接成為可能，而且不使工具顯著變劣。
對目前推薦的實(shí)施例的發(fā)展過去存在很大的困難，因為傳統(tǒng)的工具應(yīng)用在金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金上時會磨損或斷裂。這些困難可以歸結(jié)為熱磨損、機(jī)械磨損、化學(xué)蝕損、熱管理、和工具的幾何形狀等諸方面。對這些困難的解決過去存在嚴(yán)重問題，直至工具的選材與工具正確的幾何形狀及熱管理相結(jié)合才得以解決，這將在本發(fā)明的各實(shí)施例中詳細(xì)說明。
最終得到能夠從功能上焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金的本發(fā)明的工具研制過程是從對一個破裂的工具的測試開始的。該破裂的工具是在金屬基體復(fù)合材料制成的工件上實(shí)施焊接時銷子破裂的。因此，只有一個抬高的用CBN形成的肩部借助一個鎖緊環(huán)套設(shè)置在其上。發(fā)明人從未期望肩部來承受在含鐵材料上的化學(xué)蝕損或機(jī)械磨損，但是想知道會發(fā)生什么。令人驚訝的是，在具有高熔點(diǎn)的工件上經(jīng)過長且連續(xù)的運(yùn)行以后肩部未表現(xiàn)出顯著的磨損跡象。
試驗的成功使發(fā)明人實(shí)驗了各種工具實(shí)施例，試圖識別那些可利用該破裂工具的令人驚訝的耐磨、耐熱結(jié)果的工具特性。
圖2A是作為那些試驗結(jié)果的本發(fā)明推薦實(shí)施例的構(gòu)件的側(cè)剖圖。以機(jī)械構(gòu)件開始，工具28包括一個基本圓柱形的柄部30。一個帶有整體銷子34的肩部32連接于柄部30。一個環(huán)套36圍繞柄部30的一部分和帶有整體銷子34的肩部連接。一個熱流阻擋層38設(shè)置在環(huán)套36和柄部30的一部分及帶有整體銷子34的肩部32之間。
這個推薦實(shí)施例具有若干新穎的要素，從圖2A只能看出其中的一些。首先，構(gòu)制工具30所使用的優(yōu)選材料是本發(fā)明的關(guān)鍵。柄部30最好為燒結(jié)碳化鎢。選擇燒結(jié)碳化鎢是由于其強(qiáng)度，以及它的高的熱傳導(dǎo)性，這使柄部能夠適當(dāng)?shù)睦鋮s以保持它相對于工具28中使用的其它材料的強(qiáng)度。
超級研磨材料的一個有利的特性是其高的熱傳導(dǎo)性。但是，重要的是要理解熱傳導(dǎo)性對工具來說可以是有益，也可以是有害的，這取決于如何進(jìn)行控制。實(shí)驗表明，熱管理是形成成功的摩擦攪動焊接工具的關(guān)鍵。
例如，當(dāng)銷子34涂有超級研磨材料時，這會導(dǎo)致從焊接區(qū)引出大量的熱量，為了補(bǔ)償，工具28必須比需要更強(qiáng)地被驅(qū)動，以便在焊接區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量。因此，一個成功的工具必須將足夠的熱量引至焊接區(qū)域，以便能夠進(jìn)行固相焊接，同時限制熱量，使焊接區(qū)域保持盡可能的冷，以便獲得高質(zhì)量的焊接區(qū)域。換言之，由于超級研磨材料的高導(dǎo)熱性，工具可以設(shè)計成可以調(diào)節(jié)任何需要的流出工具的熱流，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計靈活性。對比而言，具有較低熱傳導(dǎo)性的材料會局限于其導(dǎo)熱性值，或更低。
當(dāng)大量熱量由于需要的運(yùn)行參數(shù)而產(chǎn)生時，也許必須依靠工具的外部冷卻。其目的是得到一種工具，其熱流特性可以被改變，以便實(shí)現(xiàn)最佳的焊接特性，包括冷卻迅速的焊接。
為了保持工具和焊接區(qū)附近的工件之間摩擦產(chǎn)生的熱量而研究了熱管理方案。該方案的一個方面是選擇柄部30的材料以限制從銷子34至工具夾(未畫出)的熱流，工具夾夾緊工具28的安裝端部42。工具夾使工具28轉(zhuǎn)動，工具夾也可能被熱損壞。熱管理方案也保持柄部足夠的冷，以抵抗摩擦攪動焊接期間的瞬變力(transitional forces)。
或者，也可以用高強(qiáng)度鋼來替代柄部30的燒結(jié)碳化鎢，但是，鋼從肩部32和整體銷子34傳走的熱量較少，因而使柄部溫度較高并降低強(qiáng)度。但是，鋼可借助適當(dāng)?shù)睦鋮s工作。
如果銷子34抵靠工件材料的轉(zhuǎn)動就是使摩擦攪動焊接法能夠產(chǎn)生熱量的因素，那么，重要的是要了解多高的轉(zhuǎn)動速度將導(dǎo)致功能性焊接。帶有整體銷子34的肩部32的轉(zhuǎn)速最好在50rmp至2000rmp的范圍內(nèi)，這取決于被焊接的材料、工具的直徑和工具的元素組成。應(yīng)注意的是，工具的推薦的表面速度為每分鐘7至400表面英尺之間。
摩擦攪動焊接法的定時與轉(zhuǎn)速一樣也不是無足輕重的。重要之處在于，只有當(dāng)工件材料被充分加熱形成塑化焊接區(qū)域時才將銷子34插入工件材料。但是，這種定時對于所使用的材料、每種工具結(jié)構(gòu)及所使用的工藝參數(shù)來說是變化的。
按照前面對于熱流控制的評述可以理解熱流阻擋層38的目的。關(guān)鍵之處在于，摩擦熱量被適當(dāng)管理控制以便將熱量保持集中在工件材料上而不致通過工具28散開。在目前的推薦實(shí)施例中，鈦和鉭合金被選為熱流阻擋層38的材料。選擇鈦合金是由于它能夠承受工具28的溫度，以及由于它的相對較低的導(dǎo)熱性。盡管如此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，鈦合金不是可以使用的唯一材料。為了進(jìn)行說明的目的，它也可以用發(fā)揮類似功能的材料來替代。
具有整體銷子34的肩部32是本發(fā)明最新穎的要素，這是由于在它的制造中所使用的材料，以及它的幾何形狀的緣故。選擇這些要素是為了克服摩擦攪動焊接法的極端的熱、化學(xué)蝕損和機(jī)械磨損。磨損的一種類型不是必然比另一種類更為重要，正是它們導(dǎo)致了不同類型的故障。
關(guān)于材料，通過實(shí)驗已經(jīng)確定，在肩部32和銷子34上使用超級研磨材料已經(jīng)使本發(fā)明能夠摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金。具體在推薦實(shí)施例中，多晶體立方一氮化硼(PCBN)被用作帶有銷子34的肩部32所用的襯底材料上的超級研磨材料涂層。
對于將PCBN涂層用作在襯底材料上的涂層的說明，意味著這種應(yīng)用方法是不重要的，情況遠(yuǎn)非如此。涂層不只是使用室溫方法涂覆的，而是涉及高溫和超高壓力。另外，施加超級研磨材料的表面的幾何形狀與超級研磨材料的耐磨能力及避免破裂故障具有很大關(guān)系。因此，本發(fā)明的一個重要方面是描述工具的幾何形狀，這種幾何形狀將從超級研磨涂層獲得最佳效果。本發(fā)明的另一個重要方面是描述可以使用的超級研磨材料。現(xiàn)在描述如何施加涂層的一個實(shí)例。
PCBN是在超高溫和超高壓的(UHTP)壓力機(jī)中用六角形一氮化硼制成的(1400℃或1673K下1百萬psi)。對于特定的應(yīng)用來說，時間和溫度是可以調(diào)節(jié)的，以便形成具有最佳尺寸、形狀和脆性的立方一氮化硼晶體。晶體的直徑尺寸范圍從1微米以至大約50微米。
為了制造本發(fā)明的肩部32和整體銷子34，立方一氮化硼(CBN)晶體與不同的第二相材料的粉末混合。第二相材料是陶瓷或金屬基的。CBN提供機(jī)械強(qiáng)度，而陶瓷則提供耐化學(xué)蝕損性。因此，CBN相對于第二相材料的百分比取決于具體應(yīng)用，其中必須達(dá)到耐機(jī)械和耐化學(xué)蝕損之間的平衡。
已經(jīng)確定，第二相材料一般可增加PCBN的韌性和化學(xué)穩(wěn)定性。韌性部分是由于第二相抑制破裂擴(kuò)展的能力。這里，由于CBN具有任意指向傾向，因而有助于阻止剝落。較低CBN含量一般用于需要較高耐化學(xué)蝕損性和較低耐機(jī)械磨損性的硬化的高溫超級合金的加工操作。較高的CBN含量則用于磨料的耐磨性，其中第二相一般是金屬的以增加韌性。
值得注意的是，CBN晶體具有類似于金剛石的硬度值、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、摩擦系數(shù)值、斷裂韌性和橫向斷裂值。這些性質(zhì)是使用第二相材料設(shè)計成的，以滿足特定的應(yīng)用要求。
混合粉末與襯底如燒結(jié)碳化鎢、或者甚至與自由放置的PCBN坯件一起放置在一個耐火金屬容器內(nèi)。該容器被密封，返回至UHTP壓力機(jī)，在那里被燒結(jié)在襯底上以形成PCBN工具坯件。然后，根據(jù)應(yīng)用，PCBN工具坯件被磨削、研磨、放電加工(wire EDM)線切割或激光切割成形狀和尺寸。
超級研磨材料是被限定為在高溫和超高壓下處理的材料。超級研磨材料包括PCBN和多晶體金剛石(PCD)。在周期表中，這些材料是包括從IIIA、IVA、VA、VIA、IIIB、IVB及VB延伸的元素的復(fù)合物。
超級研磨材料具有硬的主要的或第一相和次要的晶體相，該次要的晶體相利于主要的相的晶體結(jié)構(gòu)的燒結(jié)和轉(zhuǎn)變。超級研磨材料可以是導(dǎo)電的，也可以是不導(dǎo)電的。它們可以使用細(xì)絲加強(qiáng)物強(qiáng)化。它們也可以被認(rèn)為是在高溫高壓處理過程中承受固態(tài)相變的材料，以及帶有或不含粘合劑，通過燒結(jié)工藝形成的材料。
本發(fā)明的另一個方面涉及肩部32。取決于肩部是如何制成的，在肩部32上的超級研磨材料可以相對較薄。如果超級研磨材料要精加工成需要的形狀，那么，這一點(diǎn)就變得重要了。如果精制形狀包括傾斜的、錐度的或帶角度的表面或其它類似的結(jié)構(gòu)，象在本實(shí)施例中所示的那樣，那么，重要之處在于這種傾斜不得刺穿超級研磨材料。因此，超級研磨材料的厚度必須足以提供需要的傾斜而不達(dá)到襯底材料。
當(dāng)本發(fā)明過去在研制時，用于摩擦攪動焊接鋁的工具使用在鐵基合金中。工具在銷子處發(fā)生故障。這里由于當(dāng)摩擦攪動焊接的是具有較高熔點(diǎn)的材料時，以及當(dāng)使用涂有超級研磨材料的肩部和銷子時必須考慮到幾何形狀。因此，本發(fā)明的其它新穎特征包括1)消除應(yīng)力梯級，2)使用較大半徑或倒棱，3)更均勻的應(yīng)力分布和4)增加銷子的直徑。
關(guān)于應(yīng)力梯級，許多現(xiàn)有技術(shù)的專利公開了奇異的銷子結(jié)構(gòu)，包括螺紋銷子及具有銳利邊緣和角度的銷子。在銷子上的螺紋一般來說是適用的，這是由于螺紋可將工件材料向下推回到工件中，形成攪動和較好的焊縫。但是，這種形狀在本發(fā)明中一般并不適用，這是由于它們傾向于在超級研磨材料涂層中形成裂縫，但是可用在一種改進(jìn)的形式中以減小應(yīng)力梯級。因此，在肩部32和銷子34上大的半徑或倒棱是需要的。這種大的半徑表示在圖2A中。
關(guān)于銷子半徑，推薦實(shí)施例的銷子34具有大于傳統(tǒng)工具的半徑。這部分是由于在摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金和超級合金時銷子34將承受較大應(yīng)力。銷子直徑可能最佳地表達(dá)為銷子直徑與銷子長度之比值。在現(xiàn)在的推薦實(shí)施例中，該比值的范圍是從0.2∶1至30∶1。
還應(yīng)當(dāng)注意，肩部32并不表示為相對于工件的一個平面。實(shí)際上，肩部32是凹形的。這種形狀使塑化的工件材料更容易移動及圍繞銷子34流動。凹面形狀也迫使塑化的工件材料返回工件。
雖然圖中所示的相對較平的區(qū)域44在肩部32的外半徑和內(nèi)半徑之間，但是，該區(qū)域44也可以彎曲而形成凹面或凸面?；蛘?，肩部32相對于工件也可以為凸的或平的。
摩擦攪動焊接法需要工具夾向下壓在工具28上。這種軸向壓力一般足以在軸向上將構(gòu)件30、32、34保持在一起。但是，工具28相對于工件平動，很大的轉(zhuǎn)動力正迫使柄部30相對于肩部移動。使構(gòu)件不彼此相對轉(zhuǎn)動是很重要的。相對轉(zhuǎn)動會使銷子不能產(chǎn)生在工件焊接區(qū)域上的足夠的摩擦熱量。
因此，本發(fā)明的一個新穎要素是要求各構(gòu)件機(jī)械鎖緊。這種機(jī)械鎖緊是必須的，這是由于對各構(gòu)件的釬焊是工具28的一個弱點(diǎn)。因為釬焊材料的熔點(diǎn)最多是接近于正在進(jìn)行摩擦攪動焊接的溫度。
在早期的實(shí)驗中，機(jī)械鎖緊是通過楔形接合來實(shí)現(xiàn)的。但是楔形接合會擴(kuò)散在工具28部分上的裂縫。因此，最好使用圖2B所示的平面46。平面46與一鎖緊環(huán)一起可防止工具28的構(gòu)件30、32、34彼此間的相對滑動。雖然圖中畫出兩個平面，但是，圍繞工具28的圓周也可以設(shè)置一個至任何需要數(shù)目的平面。
或者，平面46也可用其它能夠?qū)⒐ぞ叩臉?gòu)件30、32、34機(jī)械鎖緊在它們彼此保持相對靜止的位置上的表面特征。所述其它表面特征包括花鍵、摩擦焊接、熔焊、在背部的栓鎖或在柄部外徑上的栓鎖。
本推薦實(shí)施例的最后構(gòu)件是環(huán)套36和熱流阻擋層40。在實(shí)驗中曾使用的第一環(huán)套材料之一是鈦合金。不利的是，鈦合金是可拉拔的，在高溫下會蠕變和流動。最初用鈦環(huán)套進(jìn)行的試驗顯示，當(dāng)工具作焊接運(yùn)轉(zhuǎn)時，鈦合金環(huán)套實(shí)際上圍繞肩部和銷子及向著工件塌陷。
因此，決定用另一種材料圍繞肩部32和柄部30緊固，將其機(jī)械鎖緊。另外，為了使新的環(huán)套材料與肩部32和銷子34的高溫隔開，仍使用了鈦合金。這種隔熱也有助于熱管理，從而在工件的焊接區(qū)域保持需要的溫度。
本推薦實(shí)施例用超級合金作為環(huán)套36的材料。例如，鎳-鈷或鈷-鉻就是適當(dāng)?shù)某壓辖鸩牧稀?br> 圖2B是工具28的端視圖。從該圖可以看到銷子34、肩部32、鈦合金熱流阻擋層40和環(huán)套36。
雖然推薦實(shí)施例中用CBN作為肩部32和銷子34上的超級研磨材料涂層，但是，這并不是唯一可以使用的超級研磨材料。例如，CBN的最佳替代物之一是多晶體金剛石。大家知道，PCD具有CBN的許多特性。
推薦實(shí)施例的尺寸只是用作實(shí)例來提供。銷子的直徑為0.37″。肩部的直徑為1″。鈦合金熱阻擋層38、40的厚度為0.060″，環(huán)套36的直徑為1.63″。圖示的環(huán)套36的角度為15°，肩部的角度為6°。這些附圖只是用于說明而不應(yīng)視為一種限定。上述尺寸也并不適用在所有應(yīng)用場合上。
需要說明各種問題以便理解本發(fā)明的全部優(yōu)點(diǎn)和要求，以及推薦實(shí)施例是如何發(fā)展而來的。
工具28的一個重要的考慮因素是，雖然CBN是摩擦攪動焊接鋼材的良好材料，但是，它可能并不適用于其它材料。因此，本發(fā)明的一個要素是使它混合和匹配肩部和銷子成為可能，如在替代實(shí)施例中那樣。
另一種需要考慮的因素在于，一些超級研磨材料可溶于某些材料中。例如，PCD在摩擦攪動焊接的溫度下可與鈦合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，金剛石能用來焊接碳化物構(gòu)成的材料，除非可達(dá)到的最高溫度低于可溶點(diǎn)。
在本發(fā)明的肩部32和銷子34中使用超級研磨材料具有兩個顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，CBN及金剛石的摩擦系數(shù)很低(0.05至0.1)。對比而言，鋼的摩擦系數(shù)是0.8。這種低的摩擦系數(shù)使工件材料可沿工具28滑動而不是粘著于工件材料。因而可得到整潔得多的光潔度而無需大量的精加工。精加工成本可能很高，特別是對于鐵基合金和超級合金來說，低的摩擦系數(shù)也可減少工具磨損。
第二，CBN及PCD的導(dǎo)熱性高，大約為100至550瓦/米-k，而鋼則為48瓦/米-k。因此，焊接溫度較低。溫度較低的焊縫是理想的，因為其遠(yuǎn)離熔點(diǎn)，因而可避免液態(tài)焊接相的所有問題。在試驗中已經(jīng)顯示，本發(fā)明的一個直接的好處在于，與使用更為傳統(tǒng)的弧焊相比較，焊縫具有更高的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)然，CBN的高導(dǎo)熱性也是使用熱流阻擋層38、40的原因，熱流阻擋層用于防止熱量從工件的焊接區(qū)域散逸。
如上所述，肩部和銷子的襯底上涂有超級研磨材料。本發(fā)明的另一新穎要素是設(shè)有多個涂層。這些涂層可以采用CVD、離子植入或PVD方法施加。涂層的目的是有助于超級研磨材料承受不同類型的磨損。例如，一個第二涂層可提高耐化學(xué)蝕損性。
施加在襯底或超級研磨材料頂面上的涂層可以有不同的厚度。雖然在研磨工具工業(yè)中，0.030″至0.050″的涂層被認(rèn)為是厚涂層，小于0.001″的涂層被認(rèn)為是薄涂層，但是，本發(fā)明的一個方面在于，為了實(shí)現(xiàn)涂層材料的最佳性能，可以要求其它厚度。固體的CBN也可以被壓制使其沒有涂層。這種CBN可壓制成UHTP壓力機(jī)所容許的最大體積，通常高達(dá)4英寸長，直徑為4英寸。但是，這種固定CBN不具備襯底增加強(qiáng)度和韌性的優(yōu)點(diǎn)。
雖然熱管理是推薦實(shí)施例的新穎要素，但是由于不同的原因工具的冷卻也很重要。熱管理用于保證將足夠的熱量引向焊接區(qū)域，不致被吸走。但是對于能夠被從肩部和銷子散發(fā)的熱量來說，往往必須提供某種類型的主動冷卻。冷卻可以采取指向工具外部的霧的形式或甚至是氣流的形式。因此，也許需要借助穿過柄部的一部分的冷卻通道來形成內(nèi)部冷卻。也可以冷卻工具夾。冷卻甚至可延伸至工件本身。雖然焊接必需熱量，但是，應(yīng)記住溫度較低的焊接固有地強(qiáng)度更高，摩擦攪動焊接就是一種固態(tài)工藝。
為了理解性能問題，必須考慮幾種替代實(shí)施例。本推薦實(shí)施例公開的工具具有兩個構(gòu)件柄部30和帶有整體銷子34的肩部32。但是，實(shí)驗顯示，銷子34通常在肩部以前磨損。如果它們是整體的，整個肩部32和銷子34的組合必須一起被更換。這是一種資源的浪費(fèi)。
因此，圖3是一替代實(shí)施例的側(cè)剖圖，其中肩部50不與銷子52連為整體。這些構(gòu)件是獨(dú)立加工的，并且連接于柄部48。如圖3所示，銷子52設(shè)置在柄部48一端鉆出的孔54內(nèi)。熱流阻擋層38，40仍然設(shè)置在位，只是設(shè)置在銷子52伸入柄部48的部位上。但是，如果銷子52只在孔54外的部分上具有超級研磨材料涂層，那么，銷子52的燒結(jié)碳化鎢(或其它適當(dāng)?shù)?襯底將不是對柄部48的良好導(dǎo)熱體。盡管如此，在一個替代實(shí)施例中，熱阻擋層可向下伸入孔54內(nèi)。
將銷子52連接于柄部48也不是件小事。銷子52最好使用壓配合設(shè)置在孔54內(nèi)。但是，很可能需要六方或四方形孔。應(yīng)注意的是，如銷子52有殘余壓縮應(yīng)力則能夠?qū)︿N子增加強(qiáng)度。
例如，通過加熱工具能夠形成殘余壓縮應(yīng)力。當(dāng)工具被加熱時，工具膨脹。銷子的直徑選擇得當(dāng)工具冷卻時，它在銷子上施加正的機(jī)械壓力。
另一種安裝方法是在銷子52中設(shè)置一螺釘。螺釘用于通過工具的后端將銷子拉成受壓狀態(tài)。
圖4表示本發(fā)明的另一替代實(shí)施例。與圖3的差別在于，孔62完全穿過柄部60。這個實(shí)施例的一個主要優(yōu)點(diǎn)在于，更換銷子64只需將一個工具插入孔62從而將銷子推出柄部60。這種設(shè)計可降低成本，使工具可用于多種應(yīng)用場合。因此只需要插入一個適當(dāng)長度的銷子64。
當(dāng)銷子是一個可更換的構(gòu)件時，銷子的成分就不作為本發(fā)明的一個方面描述了。銷子最好用燒結(jié)碳化鎢制成，涂上適當(dāng)?shù)某壯心ゲ牧?。但是，銷子也可以制成一個實(shí)體的超級研磨材料，也可以為具有需要涂層的碳化物。
銷子的另一方面在于，它可以被增強(qiáng)。如果由于工件材料的厚度，銷子格外長的話，也許需要加強(qiáng)銷子。當(dāng)銷子的材料不是固有地具有象碳化鎢那樣的材料的強(qiáng)度時，加強(qiáng)也可以是必要的。
按照一種類似的方式，柄部也可以用超級研磨材料制成，或是涂有超級研磨材料的碳化物。
圖5是本發(fā)明的另一替代實(shí)施例，其中工具70是一個整體而不是具有分開的構(gòu)件。但是，將整個工具制成單一構(gòu)件的成本高得令人難以接受。
即使有其它實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，這個實(shí)施例也不可能廣泛地應(yīng)用。盡管如此，它卻是一種選擇方案，可以用燒結(jié)碳化鎢形成，在肩部72和銷子74的區(qū)域涂覆超級研磨材料。在其使用中的難點(diǎn)也許是熱管理，在使用超級研磨材料時，熱管理被視為關(guān)鍵所在。因此，插入熱阻擋層也許是重要的，但是，這將使整體設(shè)計的目的受挫。
本發(fā)明的一個替代實(shí)施例是插入工具中的銷子的類型。圖6A是一螺旋端銑刀坯件80的側(cè)面圖。坯件80的基質(zhì)最好為燒結(jié)碳化鎢，在螺旋槽82內(nèi)設(shè)有PCBN或其它超級研磨材料。圖6B是坯件80的端視圖，表示放置超級研磨材料的螺旋槽82。
顯然還有其它用于將PCBN肩部或有涂層的肩部連接于柄部的裝置。圖7A是另一工具實(shí)施例的剖視圖，該實(shí)施例具備本發(fā)明的所有理想的特征，但是沒有使用單獨(dú)的鎖緊環(huán)套。在該圖中，鎖緊環(huán)套被柄部本身的一部分取代，使其與柄部本身連為整體。
具體來說，圖中柄部90具有一個鏜孔92，該鏜孔部分地在柄部的工件端部94內(nèi)設(shè)置。鏜孔92的深度是根據(jù)肩部深度和銷子96選擇的。在這個實(shí)施例中，肩部和銷子96是整體的。但是，肩部和銷子96也可以是象前述實(shí)施例中所示那樣的分開的構(gòu)件。這個實(shí)施例的重要之處在于，圍繞鏜孔92的壁用作鎖緊環(huán)套，從而有助于防止肩部和銷子96相對于柄部90的轉(zhuǎn)動。例如，這可以通過將肩部和銷子96壓配合在鏜孔92中來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)注意的是，也設(shè)有熱流阻擋層100來實(shí)現(xiàn)從肩部和銷子96向柄部90的熱管理。
但是，在一些負(fù)載條件下，盡管是壓配合，肩部和銷子96也可能滑動。因此，這個實(shí)施例顯然也可包括采用一些其它用于將肩部和銷子96的背面102機(jī)械鎖緊在柄部90上的裝置。這可以采用一些前述技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如，機(jī)械鎖緊可以通過在背面102和鏜孔92的底面104上的互補(bǔ)的齒形、花鍵或其它結(jié)構(gòu)特征來實(shí)現(xiàn)，以便通過互補(bǔ)的互鎖作用來防止相對轉(zhuǎn)動。
圖7B和7C用于表示肩部和銷子96的背面102是如何鎖緊在柄部90的鏜孔92的底面104上的兩個實(shí)例。在所述圖中，鏜孔的花鍵在鏜孔92的底面104上形成，互補(bǔ)的花鍵在肩部和銷子96的背面102上形成。
本發(fā)明的一個重要和新穎的方面也在于工件材料圍繞工具的銷子的流動。雖然摩擦攪動焊接說起來是一種固相工藝，但是，工件材料仍能夠象流體那樣運(yùn)動，即，流動。當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)最佳的焊接時，重要的是增加工件材料圍繞銷子的流動速率。
層流被定義為非紊亂的流體流。不幸的是，工件材料的層流是最慢的，因此，導(dǎo)致工件材料圍繞銷子流動速率增加的銷子的任何幾何形狀也會導(dǎo)致焊接特性改善的焊縫。因此，需要具有工件材料的紊流?；蛘哌^渡流(fransitional flow)，過渡流定義為具有紊流特性的流動。因此，需要找到一個從層流進(jìn)入過渡流形式或紊流形式的流動的界層。另外，也需要在盡可能低的工具轉(zhuǎn)速下，使用最簡單的工具幾何形狀得到過渡流或紊流。
因此，本發(fā)明的一個方面涉及一種銷子幾何形狀，它可導(dǎo)致工件材料的過渡流或紊流。圖8是具有結(jié)構(gòu)變形的銷子的側(cè)面圖，該銷子設(shè)計成可獲得圍繞銷子的至少一些工件材料的過渡流或紊流。如圖所示，銷子120上有多個凹窩122，很像高爾夫球上的凹窩。這些凹窩122的數(shù)目、大小和深度需要變化，以便獲得工件材料的需要的流動特性。
類似地，圖9是設(shè)計成能夠產(chǎn)生圍繞銷子的過渡流或紊流的銷子126和肩部128的端視圖。圖中銷子126只具有在其一側(cè)的一個平面130。顯然，平面130的總數(shù)和寬度可以調(diào)整以取得工件材料的需要的流動特性。另外，作為平面的替代，表面不規(guī)則性顯然可以不是均勻的平面，并在銷子的長度上延伸。例如，圖9B表示銷子132和肩部134的另一個端視圖，其中表面不規(guī)則性不是平面的。
圖10表示本發(fā)明的也涉及取得圍繞銷子的過渡流或紊流的另一個方面。圖10是工具140的側(cè)面圖，其中銷子142平行于工具的縱軸線144設(shè)置，但不再與其同心地設(shè)置。銷子142是偏置的，從而形成一個凸輪結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生工件材料中的過渡流和紊流。應(yīng)注意的是，偏置的程度只是為說明的目的而被夸大。實(shí)際的偏置將取決于工具和工件的特性。
按照本發(fā)明的原理，顯然可以采用許多可用的銷子幾何形狀和工具。例如，具有可調(diào)節(jié)長度的銷子的工具就具有許多優(yōu)越性。按照本發(fā)明，工具必須改進(jìn)以減小應(yīng)力梯級，在肩部和銷子上涂覆超級研磨材料或用實(shí)體的超級研磨材料制造，以及利用熱管理技術(shù)。
本發(fā)明的最后一個方面是將工具壓制成接近凈形狀，接近凈形狀是指在壓制后的工具需要很少的精加工來取得最終成品。在目前推薦的實(shí)施例中，銷子、肩部、整體的銷子和肩部、以及帶有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的銷子被壓制成接近凈形狀。
顯然，上面描述的各種布置只是為了說明本發(fā)明原理的應(yīng)用。本專業(yè)技術(shù)人員可以構(gòu)想出許多修改和變化而并不超出本發(fā)明的精神和范圍。權(quán)利要求書意在覆蓋這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種能夠摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料(MMCS)、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金的摩擦攪動焊接工具，所述摩擦攪動焊接工具包括一個摩擦攪動焊接工具，它具有一個柄部、一個肩部和一個銷子，其中所述肩部被機(jī)械鎖緊在柄部上；從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動；以及設(shè)置在肩部至少一部分上和銷子上的超級研磨材料，其中超級研磨材料具有第一相和第二相，所述超級研磨材料是在超高溫度和超高壓力工藝下制成的；所述摩擦攪動焊接工具能夠功能性摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金。
2.如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述工具包括由下述復(fù)合物構(gòu)成的材料組中選擇的，所述復(fù)合物包括化學(xué)元素周期表中從IIIA、IVA、VA、VIA、IIB、IVB和VB延伸的元素。
3.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括選擇多晶體立方氮化硼(PCBN)或多晶體金剛石(PCD)作為超級研磨材料。
4.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括利用細(xì)絲加強(qiáng)超級研磨材料，從而抑制超級研磨材料的剝落。
5.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括選擇超級研磨材料，以便取得在摩擦攪動焊接工具的化學(xué)蝕損和機(jī)械磨損之間的需要的平衡。
6.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括柄部、其中柄部的材料是由燒結(jié)碳化鎢、鋼和超級研磨材料構(gòu)成的材料組選擇的。
7.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括一個用于冷卻摩擦攪動焊接工具的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。
8.如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于所述工具包括至少一種設(shè)置在超級研磨材料涂層上的第二材料，從而使第二材料的性質(zhì)對超級研磨材料涂層起作用。
9.如權(quán)利要求2所述的工具，其特征在于所述工具還包括設(shè)置在肩部和柄部之間的第一熱流阻擋層，從而調(diào)控從肩部至柄部的熱運(yùn)動。
10.如權(quán)利要求9所述的工具，其特征在于所述工具還包括一個鎖緊環(huán)套，所述鎖緊環(huán)套發(fā)揮將肩部機(jī)械鎖緊在柄部上的作用，從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動。
11.如權(quán)利要求10所述的工具，其特征在于所述工具還包括一個第二熱流阻擋層，設(shè)置在鎖緊環(huán)套和肩部及柄部的圍繞其設(shè)置的部分之間，從而調(diào)控從肩部和柄部向鎖緊環(huán)套的熱運(yùn)動。
12.如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于第一熱流阻擋層和第二熱流阻擋層還包括鈦合金。
13.如權(quán)利要求12所述的工具，其特征在于柄部還包括一種材料，該材料選擇成具有小于肩部、銷子和鎖緊環(huán)套的導(dǎo)熱性。
14.如權(quán)利要求13所述的工具，其特征在于柄部是從由燒結(jié)碳化鎢、鎢合金、鋼、鉬合金和超級合金構(gòu)成的材料組中選擇的。
15.如權(quán)利要求14所述的工具，其特征在于所述工具還包括提供沿工具的縱軸線設(shè)置的至少一個表面特征，其中所述表面特征使鎖緊環(huán)套更可靠地將肩部和柄部限制在同一個相對位置上。
16.如權(quán)利要求15所述的工具，其特征在于所述工具還包括從由平面、花鍵、鍵槽及鍵、鎖緊銷子、楔形接合和凹窩構(gòu)成的表面特征組中選擇的至少一個表面特征。
17.如權(quán)利要求16所述的工具，其特征在于所述工具還包括在柄部工作端部和肩部安裝端部之間的機(jī)械栓鎖，所述機(jī)械栓鎖是從楔形接合、花鍵和凹窩構(gòu)成的機(jī)械栓鎖組中選擇的。
18.如權(quán)利要求17所述的工具，其特征在于所述肩部還包括圍繞其工作邊緣設(shè)置的肩部半徑，所述肩部半徑起到防止超級研磨材料中產(chǎn)生裂縫的作用。
19.如權(quán)利要求18所述的工具，其特征在于用于將肩部機(jī)械鎖緊在柄部上的裝置是從由花鍵、鎖緊銷子、楔形接合和凹窩構(gòu)成的機(jī)械鎖緊裝置組中選擇的。
20.如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于所述工具還包括鎖緊環(huán)套，其中鎖緊環(huán)套所選擇的材料是超級合金。
21.如權(quán)利要求20所述的工具，其特征在于所述工具還包括鎖緊環(huán)套，其中鎖緊環(huán)套所選擇的材料是從由鎳-鈷和鈷-鉻構(gòu)成的材料組中選擇的。
22.一種能夠摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料(MMCS)、鐵基合金，非鐵基合金和超級合金的摩擦攪動焊接工具，所述摩擦攪動焊接工具是一個整體裝置，包括一個柄部，該柄部具有一個軸安裝端部和一個軸工作端部；一個在軸工作端部上形成的肩部，所述肩部具有一個肩部工作邊緣，其中肩部工作邊緣形成為一個半徑；一個在肩部中形成的銷子，其中所述銷子與從其外伸的肩部的縱軸線同心且平行，其中一個第一銷子半徑在肩部和銷子之間的接合部形成，一個第二銷子半徑在銷子工作邊緣形成；超級研磨材料設(shè)置在肩部的至少一個部分和銷子上，其中所述摩擦攪動焊接工具能夠功能性摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金。
23.一種用于摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料(MMCS)、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金的方法，所述方法包括以下步驟(1)提供具有一個柄部、一個肩部和一個銷子的一個摩擦攪動焊接工具；(2)將肩部機(jī)械鎖緊在柄部上，從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動；以及(3)在肩部的至少一個部分和銷子上設(shè)置超級研磨材料，其中超級研磨材料具有一個第一相和第二相，其中超級研磨材料是在超高溫和超高壓工藝下制成的，所述摩擦攪動焊接工具能夠功能性摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述方法還包括從由下述復(fù)合物構(gòu)成的材料組中選擇的超級研磨材料，所述復(fù)合物包括從化學(xué)元素周期表的IIA、IVA、VA、VIA、IIIB、IVB和VB延伸的元素。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法包括選擇多晶體立方氮化硼(PCBN)或多晶體金剛石(PCD)作為超級研磨材料的步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過利用細(xì)絲加強(qiáng)的超級研磨材料而抑制超級研磨材料的剝落的步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過選擇具有第一百分比的第一相材料和具有第二百分比的第二相材料的超級研磨材料來實(shí)現(xiàn)摩擦攪動焊接的工具的化學(xué)蝕損和機(jī)械磨損之間的平衡的步驟。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于所述方法還包括選擇柄部的硬質(zhì)材料的步驟，其中柄部材料是從由燒結(jié)碳化鎢、鋼和超級研磨材料構(gòu)成的材料組中選擇的。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括將至少一種第二材料設(shè)置在超級研磨材料涂層上，從而使第二材料的性質(zhì)對超級研磨材料涂層起作用的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于所述方法還包括從CVA、離子束植入和PVD構(gòu)成的施加方法組中選擇施加方法，在超級研磨材料涂層上施加至少一種第二材料的步驟。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過在肩部和柄部之間設(shè)置一個第一熱流阻擋層來調(diào)控肩部和柄部之間的熱運(yùn)動的步驟。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過設(shè)置一個鎖緊環(huán)套將肩部機(jī)械鎖緊在柄部上來防止肩部相對于柄部轉(zhuǎn)動的步驟。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過在鎖緊環(huán)套和肩部及柄部被其圍繞設(shè)置的部分之間設(shè)置一個第二熱流阻擋層來調(diào)控從肩部及柄部向鎖緊環(huán)套的熱運(yùn)動的步驟。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于所述方法還包括將鈦合金作為所述第一熱流阻擋層和第二熱流阻擋層的步驟。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過選擇具有比肩部、銷子和鎖緊環(huán)套導(dǎo)熱性小的柄部材料來調(diào)控在摩擦攪動焊接內(nèi)的熱運(yùn)動的步驟。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于所述方法還包括從由燒結(jié)碳化鎢、鎢合金、鋼、鉬合金和超級合金構(gòu)成的材料組選擇柄部材料的步驟。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于所述方法還包括通過圍繞肩部的一個工作邊緣設(shè)置一個肩部半徑來抑制肩部上的超級研磨材料中的裂縫擴(kuò)展的步驟。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于所述方法還包括為鎖緊環(huán)套選擇超級合金，從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動的步驟。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于所述方法還包括從鎳-鈷和鈷-鉻構(gòu)成的超級合金中選擇鎖緊環(huán)套的超級合金的步驟。
40.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括減小肩部上和銷子上的應(yīng)力梯級，從而抑制超級研磨材料的裂縫擴(kuò)散的步驟。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于所述方法還包括(1)將柄部形成為基本圓柱形物體；以及(2)將肩部設(shè)置為盤狀物體，其中銷子是肩部的整體構(gòu)成部分，銷子基本呈圓柱形，銷子與從其延伸的肩部的縱軸線同心且平行。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于所述方法還包括設(shè)置一個鎖緊環(huán)套，所述鎖緊環(huán)套將肩部機(jī)械鎖緊在柄部上，從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動的步驟。
43.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括利用具有低摩擦系數(shù)的超級研磨材料，使摩擦攪動焊接工具抑制在焊接過程中材料粘附在摩擦攪動焊接工具上，從而改善摩擦攪動焊接的步驟。
44.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括調(diào)節(jié)銷子直徑與銷子長度的比值，從而控制焊接特性的步驟。
45.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括以下步驟(1)提供一個具有一軸工作端部和一軸安裝端部的柄部，其中柄部鏜孔從軸工作端部延伸至軸安裝端部，柄部鏜孔與縱軸線同心；(2)提供呈盤狀的肩部，其中一個肩部孔與柄部鏜孔對準(zhǔn)，所述肩部連接于柄部，其中肩部機(jī)械鎖緊在柄部上，從而防止肩部相對于柄部轉(zhuǎn)動；以及(3)提供一個銷子，該銷子穿過肩部孔并至少部分地進(jìn)入柄部鏜孔，其中銷子的一部分設(shè)置在肩部鏜孔外面，銷子機(jī)械鎖緊在柄部上，從而防止銷子相對于柄部的轉(zhuǎn)動。
46.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括在摩擦攪動焊接過程中增加材料圍繞銷子的流動速率，從而改善焊接特性的步驟。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于所述方法還包括形成圍繞銷子的過渡流或紊流的步驟。
48.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述方法還包括利用具有低摩擦系數(shù)的超級研磨材料來減小在摩擦攪動焊接工具上的磨損的步驟。
49.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于所述摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金的方法還包括利用熱管理，從而調(diào)控摩擦攪動焊接工具的磨損的步驟。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于所述方法還包括利用超級研磨材料以減小摩擦攪動焊接工具的機(jī)械磨損和化學(xué)蝕損的步驟。
51.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于所述方法還包括設(shè)置熱流阻擋層以調(diào)控在摩擦攪動焊接工具內(nèi)熱運(yùn)動的步驟。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于所述方法還包括控制摩擦攪動焊接工具的幾何形狀以便能夠利用超級研磨材料的步驟。
全文摘要
用于摩擦攪動焊接金屬基體復(fù)合材料、鐵基合金、非鐵基合金和超級合金的工具(28)包括一個柄部(30)、一個肩部(32)和一個穿過肩部進(jìn)入柄部的銷子(34)，其中銷子和肩部至少包括由超級研磨材料構(gòu)成的涂層，銷子和肩部設(shè)計得減小了應(yīng)力梯極，圍繞肩部和柄部的一部分設(shè)有一環(huán)套(36)，從而防止肩部相對于柄部的轉(zhuǎn)動，通過在肩部和柄部之間設(shè)置第一熱流阻擋層，以及在環(huán)套和工具之間設(shè)置第二熱流阻擋層來進(jìn)行熱管理。
文檔編號B23K20/12GK1436110SQ01809150
公開日2003年8月13日 申請日期2001年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月8日
發(fā)明者特蕾西·W·納爾遜, 卡爾·D·索倫森, 斯科特·帕克, 保羅·艾倫·費(fèi)爾特 申請人:布萊阿姆青年大學(xué), 斯科特·帕克, 保羅·艾倫·費(fèi)爾特