專利名稱：攪拌摩擦焊接工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊接(FSW (friction stir welding))工具、其制造方 法以及將兩個金屬工件焊接在一起的方法。本發(fā)明具體地但非排它性地涉及用于將 兩個由金屬合金(例如鋁合金)制成的相對較厚的工件焊接在一起的FSW工具， 這兩個工件預(yù)備用在飛行器部件的制造中。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊接是一種相對較新的焊接工藝，其背景技術(shù)的概要可以在US 5,460,317 (Thomas等)、US 5,813,592 (Midling等)、WO 93/10935 (The Welding Institute)和WO 95/26254 (Norsk Hydro A.S.)中找到，在此以參考的方式全面引 入這些專利文獻的說明書。通常，術(shù)語"攪拌摩擦焊接"可理解成包括其中探頭材 料比工件材料硬的任何焊接方法，探頭材料比工件材料硬造成探頭區(qū)域中的工件塑 化，從而探頭有效地進入工件。通常造成探頭繞探頭軸線轉(zhuǎn)動且沿工件沿要形成的 焊縫長度移動。已經(jīng)對于FSW工具的形狀如何影響焊接過程作了研究。P.A. Colegrove和H.R.Shercliff在"Science and Technology of Welding and Joining 2004" (345-361 of Vol.9，No.4)上發(fā)表的標題為"Development of Tri-vex friction stir weld tool"的論文中描述了該項研究。該報告描述了多種工具形狀，包括"三平面(Tri-flat)"工具、"三凹面(Tri-flute)"工具和"三凸面(Tri-vex)"工具。三平面工具的特征在于其橫截面具有圍繞工具軸線等角度設(shè)置的三個平面區(qū)域，三凹面工具的橫截面包括圍繞工 具軸線等角度設(shè)置的三個凹入形狀的區(qū)域，而三凸面工具的橫截面包括圍繞工具軸線等角度設(shè)置的三個凸出形狀的區(qū)域。該報告比較了在工具上用于實施FSW焊接必要的負荷，并且推斷出三凸面工具的負荷低于三凹面工具的負荷。該報告描述了使用三凸面工具并采用6.2mm的銷/探頭長度來焊接薄板(具有6.35mm的厚度)。后來使用這種具有三凸面工具形狀的FSW工具和20mm的銷長度來將20mm厚的工件焊接在一起，實施該試驗所產(chǎn)生的焊接接頭有缺陷。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由三凸面工具
產(chǎn)生的缺陷尺寸可以通過增大主軸轉(zhuǎn)速來得以改進，但是這會導(dǎo)致接頭承受額外的 熱，從而導(dǎo)致機械性能降低和熱影響區(qū)變大。因此看來，使用三凸面FSW工具來連接厚工件并不適于連接飛行器制造中使 用的鋁合金材料，這是因為生產(chǎn)足夠高質(zhì)量的接頭很困難。此外，三凸面FSW工 具很昂貴且很難制造，因為在圍繞工具周邊的三個相應(yīng)位置需要精確加工的三個凸 出形狀的表面，然后在所述凸出形狀的表面上加工螺紋。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種改進的FSW工具。附加地或可選擇地，本發(fā)明的一 個目的是提供一種FSW工具，它能夠在厚工件中產(chǎn)生適用于飛行器制造的質(zhì)量的 焊縫。附加地或可選擇地，本發(fā)明的一個目的是提供一種FSW工具，與上面提到 的現(xiàn)有技術(shù)的一種或多種FSW工具相比，它能夠產(chǎn)生相同或更好質(zhì)量的焊縫，但 在焊接過程中可降低在FSW工具上的負荷和/或當(dāng)與使用相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)FSW工 具比較時不會增大接頭熱量。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種攪拌摩擦焊接工具，該工具包括肩部，以及從肩部延伸出來的探頭，其中，探頭具有至少三個圍繞探頭的縱向軸線等角度設(shè)置的分區(qū)，各分區(qū)包括至少三個圍繞探頭的軸線設(shè)置的接連設(shè)置的基本平面部分，這些平面部分設(shè)置成平面部分 的法向軸線沿著朝向探頭軸線的方向會聚，該探頭包括設(shè)置在每對相鄰的分區(qū)之間 的螺紋部分。在試驗過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與上述現(xiàn)有技術(shù)的三平面和三凹面形狀的工具相比 時，根據(jù)本發(fā)明的實施例的FSW工具能夠在20mm厚的板中產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的焊縫(適 于飛行器主要結(jié)構(gòu)的用途)，且減小了 FSW工具上和用來操作工具的FSW機器上 的負荷。根據(jù)本發(fā)明的FSW工具可具有與現(xiàn)有技術(shù)的三凸面FSW工具大體相似的形 狀，且本發(fā)明的工具的各分區(qū)的平面部分限定大體凸出的輪廓。本發(fā)明不僅能夠提 供一種承受比現(xiàn)有技術(shù)的工具更低負荷的FSW工具，而且能夠比現(xiàn)有技術(shù)的三凸 面FSW工具更容易制造，因為該工具不必在制造過程中加工出凸出的分區(qū)。應(yīng)該 意識到，為了使各分區(qū)的平面部分限定大體凸出的輪廓，各分區(qū)中的平面部分的法 向軸線不必會聚在一點；而是，諸法向軸線僅僅有會聚的意思，即當(dāng)沿著軸線從平
面部分的表面朝向探頭軸線行進時，每對軸線之間的距離會減小。本發(fā)明的FSW工具可設(shè)置成，能夠?qū)⒕哂写笥?0mm厚度的工件焊接在一起。 探頭可以長于10mm。探頭可以是約20mm長或更長。可以只有三個圍繞探頭的縱向軸線等角度地設(shè)置的分區(qū)，這三個分區(qū)分別以0 度、120度和240度來定中心。可選擇地，可以有四個分別以O(shè)度、90度、180度 和270度來圍繞探頭的縱向軸線等角度地設(shè)置的分區(qū)。各螺紋部分較佳地與分區(qū)相連，且設(shè)置在兩分區(qū)之間。較佳地，沒有一個分區(qū) 具有螺紋。因此，工具可具有圍繞其軸線的交替的螺紋和非螺紋區(qū)域。探頭可成形成沿其長度成錐度?？蛇x擇地，探頭可成形成沿著其長度的至少大 部分具有基本恒定的直徑。例如，探頭可以是大體圓柱形。平面部分沿著探頭長度的斜度可以不同于螺紋部分的斜度。例如，平面部分可 以具有沿著探頭長度比螺紋部分之一更陡的斜度?？蛇x擇地或附加地，平面部分可具有比螺紋部分之一更小的斜度。對于相鄰的平面部分，沿著探頭長度的斜度可以 不同。(平面部分的斜度可以測量成探頭軸線和交線之間的角度，該交線在平面部 分和垂直于平面部分并包含探頭軸線的假想平面之間。)每個分區(qū)可以有多于三個平面部分。例如，各分區(qū)可包括至少四個設(shè)置成圍繞 探頭軸線的基本平面部分。各分區(qū)的平面部分數(shù)量可小于10。平面部分較佳地在 各分區(qū)中接連設(shè)置。本發(fā)明可應(yīng)用成各分區(qū)的平面數(shù)量僅為兩個。因此，本發(fā)明還提供一種攪拌摩擦焊接工具，該工具包括肩部、以及從肩部延伸出來的探頭，其中， 探頭具有至少三個較佳地圍繞探頭縱向軸線等角度設(shè)置的分區(qū)，各分區(qū)包括多個圍繞探頭軸線設(shè)置的接連設(shè)置的基本平面部分，平面部分設(shè)置成其法向軸線沿著朝向 探頭軸線的方向會聚。探頭可包括設(shè)置于每對相鄰分區(qū)之間的螺紋部分。當(dāng)然，應(yīng) 該意識到，在此描述的本發(fā)明的其它特征可引入本發(fā)明的加寬范圍內(nèi)。還提供了一種制造在此限定的根據(jù)本發(fā)明的任一方面的攪拌摩擦焊接工具的 方法。該制造方法較佳地包括以下步驟形成具有肩部和從肩部延伸出來的螺紋探 頭的工具，從螺紋探頭中加工去除材料以形成至少三個圍繞探頭縱向軸線等角度設(shè) 置的分區(qū)，各分區(qū)包括至少三個圍繞探頭軸線設(shè)置的接連設(shè)置的基本平面部分，平 面部分設(shè)置成其法向軸線沿著朝向探頭軸線的方向會聚。方便地，在制造工具的過 程中，工具可安裝成圍繞其中心軸線轉(zhuǎn)動，通過圍繞其軸線轉(zhuǎn)動工具可實現(xiàn)加工去 除不同的平面部分。因此，工具的制造比上述諸如三凸面工具之類的工具制造情況 要簡單得多，在該三凸面工具中，凸面的加工可能需要復(fù)雜的工具偏移以實現(xiàn)精確
的形狀。從探頭上加工去除以形成平面部分的材料的深度可以沿著探頭長度而變 化。例如，對于平面部分來說，在探頭根部處比在尖端處可根據(jù)深度加工去除更多 的材料。附加地或可替換地，在探頭根部處比在尖端處可根據(jù)深度加工去除更少的 材料，因此，在沿著探頭的給定長度處，加工去除的材料深度可以在兩個不同平面 部分之間有所不同。還提供了一種使用在此描述的根據(jù)本方面的任一方面的攪拌摩擦焊接工具將 兩個金屬工件焊接在一起的方法。該焊接方法較佳地包括以下步驟提供兩個具有大于10mm厚度的金屬工件，提供在此限定的根據(jù)本發(fā)明的任一方面的攪拌摩擦焊接工具，以及 使用該工具來將兩個工件焊接在一起。在工件是由鋁合金制成的和/或工件適用于制造飛行器部件的情況下，該焊接 方法可能是尤其有利的。例如，金屬可以是用在航空航天工業(yè)中的任何傳統(tǒng)的或合 適的合金，諸如2000系列、6000系列、7000系列鋁合金、或者鋁一鋰合金。兩個 工件可以但不必須是相同類型的材料。還提供了一種使用在此限定的根據(jù)本發(fā)明的任一方面的攪拌摩擦焊接工具來 制造部件更佳的是飛行器部件的方法。該制造方法較佳地包括以下步驟提供金屬 塊體，該金屬塊體將被加工成部件更佳的是飛行器部件，其中，金屬塊體已經(jīng)由使 用在此限定的根據(jù)本發(fā)明的任一方面的焊接方法來焊接在一起的兩個或多個工件 制成。金屬塊體可方便地但非必須地是大體立方形狀。部件可例如是飛行器主要結(jié) 構(gòu)的一部分的形式。部件可例如形成用于飛行器翼盒的翼梁的至少部分。應(yīng)該意識 到，借助本發(fā)明來形成的部件可要求在組裝前進行進一步的處理。因此在某些情況 下，部件被認為是在成為最終成品之前的中間的、需要進一步處理的部件。例如， 部件可需要進一步的機加工、處理、與其它零件組裝起來、或者任何其它這些工藝。 因此應(yīng)該理解，這里使用術(shù)語"部件"來覆蓋部件處于準備最終裝配的狀態(tài)和部件 處于部件制造中的更早階段的情況。


現(xiàn)在將通過示例、參照附圖來描述本發(fā)明的實施例，在這些附圖中 圖la-lc示意地示出現(xiàn)有技術(shù)的三種FSW焊接工具的輪廓； 圖2a-2c示意地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的FSW工具的形狀；以及 圖3示意地示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的FSW工具的局部輪廓。
具體實施方式
借助本發(fā)明的第一實施例的FSW工具的背景，簡要描述現(xiàn)有技術(shù)的工具形狀 可能是有利的。在圖la-lc中示意地示出了三種現(xiàn)有技術(shù)工具的輪廓，分別示出"三 凹面"工具、"三平面"工具和"三凸面"工具的探頭的大體橫截面形狀。在各種 情況下，三個截面都是從大體圓柱形的輪廓(由假想的圓來限定，該圓沒有示出且 平滑地包圍了圖la-lc所示的形狀)加工出來的。在圖la中，"三凹面"形狀的工 具102是由三個獨立的等角度隔開的凹入?yún)^(qū)域104來限定的，在圖lb中，"三平面" 形狀的工具106是由三個獨立的等角度隔開的平面108來限定的，而在圖lc中， "三凸面"形狀的工具110是由三個獨立的等角度隔開的凸出區(qū)域112來限定的。圖2a和2b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的三重三平面FSW工具2的 截面圖和俯視圖(從工具端部觀看時)。工具2包括肩部4，三個以錐銷形式存在 的探頭6從該肩部4延伸出來。工具2的探頭6是通過從錐形的螺紋銷加工出平面 8來制成的。銷上的螺紋是具有2mm螺距的單個2000粗公制60度螺紋的形式， 在探頭上有剛好10圈以下的螺紋。探頭6具有20mm的長度。探頭6從肩部4向 其尖端以大約12度的角度成錐度，在尖端處的直徑約為9mm。平面8分組成三個 分區(qū)8a、 8b、 8c，各分區(qū)包括三個接連的平面8。當(dāng)在橫截面中觀看時(截面的法 線平行于探頭的軸線12)，每個分區(qū)中的平面8加工形成大體凸出的輪廓。在圖2c 中示出了第一實施例的探頭的這種橫截面的示意圖。在圖2c中，顯示了探頭的一 個分區(qū)8a中的三個平面8，在圖2c中其軸線12由十字來示出。(應(yīng)該意識到，為 了清楚起見，在圖2c中夸大了平面8的夾角和法向軸線14。)如同可在圖2c中看 到的，平面8的法向軸線14沿著朝向探頭6的軸線12的方向而會聚，且限定大體 凸出的輪廓(在圖2c中通過假想凸面16來示出該凸出輪廓)。參見圖2a和2b， 諸分區(qū)都定中心成，諸分區(qū)圍繞探頭6的軸線12等角度地隔開(S卩，120度分開)。 三個分區(qū)8a-8c每個都包括三個平面8，這三個分區(qū)8a-8c由螺紋部分10a、 10b、 10c來分開，在相鄰的每對分區(qū)之間都有一個螺紋區(qū)域10。圖2a和2b所示的工具用來在20mm厚的鋁合金7150板(適于飛行器主要結(jié) 構(gòu)的用途)中產(chǎn)生焊縫，并測量了由該工具承受的負荷。在相同的20mm厚的7150 板上還測試了類似尺寸的三平面、三凹面和三凸面形狀的工具。三凸面工具沒有產(chǎn) 生用于飛行器主要結(jié)構(gòu)的足夠良好質(zhì)量的焊縫。還發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中，由本實施 例的工具2承受的負荷小于由同樣尺寸的三平面和三凹面形狀工具承受的負荷，如
下面表中再現(xiàn)的數(shù)據(jù)所示。在75mm/min和150mm/min的速率下，當(dāng)與三平面工具比較時 的負荷減小量(以百分比給出)饋送速率橫向負荷減小量扭矩減小量垂向負荷減小量75mm/min20%5.5%相等150mm/min20%20%相等表1在75mm/min的速率下，當(dāng)與三凹面工具比較時的負荷減小量(以百分比給出) (在150mm/min的速率下FSW不能產(chǎn)生，因為所需的垂向負荷超出機械能力)橫向負荷減小量扭矩減小量垂向負荷減小量54%10.5%25%表2對于上面的兩個表，應(yīng)該注意到，所引用的百分比可能稍稍失真，因為在不同 的探頭設(shè)計之間，工具面積與掃掠面積之比不是精確地相同的(參見Science and Technology of Welding and joining 2004 Vol . 9 No 4 , Development of Trivex friction stir weld tool Part 1)。圖3示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的FSW工具，它示出了 FSW工 具的探頭20的局部橫截面，探頭20具有由螺紋區(qū)域22隔開的三個分區(qū)，各分區(qū) 都包括七個平面24。七個平面24呈現(xiàn)出在探頭20的螺紋區(qū)域之間的更平滑的輪 廓。盡管已經(jīng)參照特定實施例來描述和說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會 意識到，本發(fā)明適用于這里沒有具體說明的許多不同變型。僅僅為了示例，現(xiàn)在將 描述上述實施例的某些變型。根據(jù)本發(fā)明的實施例的FSW工具可用來焊接比上面 參照附圖所述的更厚的工件?？梢栽O(shè)想，具有至少30mm的探頭長度的工具足以 用來在上至類似尺寸深度的材料中實施焊接。除了是錐形(如圖所示)的之外，工 具的探頭還可以是圓柱形的。平面部分之間的螺紋數(shù)量和螺紋類型(形式、螺距和 深度)可調(diào)節(jié)，從而對于特定的應(yīng)用，借助常規(guī)的試驗來改進可實現(xiàn)的焊接質(zhì)量。 本發(fā)明可應(yīng)用到除了鋁合金之外的其它合金。當(dāng)然，其它修正對于熟悉本領(lǐng)域的技
術(shù)人員來說也是顯而易見的。在前面的描述中提及了整體或部件，這些整體或部件具有已知的、明顯的或可 預(yù)知的等同物，然后這些等同物可如同單獨闡述的一樣結(jié)合于此。應(yīng)該參考權(quán)利要求書來確定本發(fā)明的真實范圍，該范圍應(yīng)該理解成覆蓋任何這些等同物。讀者還應(yīng) 該意識到，描述成較佳的、有利的、方便的之類的本發(fā)明的整體或部件是可任選的， 并不限定獨立權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種攪拌摩擦焊接工具，包括肩部，以及從所述肩部延伸出來的探頭，其中，所述探頭具有至少三個圍繞所述探頭的縱向軸線等角度設(shè)置的分區(qū)，各分區(qū)包括至少三個圍繞所述探頭的所述軸線設(shè)置的接連設(shè)置的基本平面部分，所述平面部分設(shè)置成所述平面部分的法向軸線沿著朝向所述探頭的所述軸線的方向會聚，并且所述探頭包括設(shè)置在每對相鄰的分區(qū)之間的螺紋部分。
2. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，沒有一個所述分區(qū)是有螺紋的。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的工具，其特征在于，所述探頭沿其長度成錐度。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的工具，其特征在于，所述探頭沿著其長度的至 少大部分具有基本恒定的直徑。
5. 如任何前述權(quán)利要求所述的工具，其特征在于，各分區(qū)包括至少四個圍 繞所述探頭的所述軸線設(shè)置的基本平面部分。
6. —種制造攪拌摩擦焊接工具的方法，包括下列步驟 形成具有肩部和從所述肩部延伸出來的螺紋探頭的工具，以及從所述螺紋探頭中加工去除材料以形成至少三個圍繞所述探頭的縱向軸線等 角度設(shè)置的分區(qū)，各分區(qū)包括至少三個圍繞所述探頭的所述軸線設(shè)置的接連設(shè)置的 基本平面部分，所述平面部分設(shè)置成所述平面部分的法向軸線沿著朝向所述探頭的 所述軸線的方向會聚。
7. —種將兩個金屬工件悍接在一起的方法，所述方法包括下列步驟(a) 提供兩個厚度大于10mm的金屬工件；(b) 提供攪拌摩擦焊接工具，所述工具包括 肩部，以及從所述肩部延伸出來的探頭，其中，所述探頭具有至少三個圍繞所述探頭的縱向軸線等角度設(shè)置的分區(qū)，各 分區(qū)包括至少三個圍繞所述探頭的所述軸線設(shè)置的接連設(shè)置的基本平面部分，所述 平面部分設(shè)置成所述平面部分的法向軸線沿著朝向所述探頭的所述軸線的方向會 聚，并且所述探頭包括設(shè)置在每對相鄰的分區(qū)之間的螺紋部分；以及 (C)使用所述工具來將所述兩個工件焊接在一起。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述工件是由鋁合金制成的。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述工件適用于制造飛行 器的部件。
10. —種制造部件的方法，其中，所述部件是從金屬塊體加工出來的，所述 金屬塊體由使用如權(quán)利要求7-9中任一項所述的方法來悍接在一起的兩個或多個 工件制成。
11. 如權(quán)利要求IO所述的方法，其特征在于，所述部件是飛行器的部件。
全文摘要
一種攪拌摩擦焊接工具(2)用于焊接結(jié)構(gòu)。該工具(2)包括肩部(4)、以及從肩部延伸出來的探頭(6)。探頭具有至少三個圍繞探頭的縱向軸線等角度設(shè)置的分區(qū)(8a、8b、8c)，各分區(qū)包括至少三個圍繞探頭(6)的軸線(12)設(shè)置的接連設(shè)置的平面(8)。這些平面(8)設(shè)置成平面的法向軸線沿著朝向探頭軸線(12)的方向會聚，從而導(dǎo)致各分區(qū)都具有大體凸出的形狀。該探頭(6)包括設(shè)置在每對相鄰的大體凸出形狀的非螺紋分區(qū)(8a、8b、8c)之間的螺紋部分(10a、10b、10c)。
文檔編號B23K20/12GK101111343SQ200680003461
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者R·J·馬茨阿茨 申請人:空中客車英國有限公司