將具有弧形表面的材料固定就位以用于摩擦攪拌焊接或加工的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種將摩擦攪拌加工材料固定就位在具有弧形表面的基層上以采用固態(tài)工藝將摩擦攪拌加工材料混合到曲面基層中的系統(tǒng)和方法，其中所述系統(tǒng)包括選擇將摩擦攪拌加工材料結(jié)合至基層的多種機(jī)械裝置中的一種，其使得所進(jìn)行的摩擦攪拌加工是經(jīng)濟(jì)的、有效的和安全的。
【專利說(shuō)明】將具有弧形表面的材料固定就位以用于摩擦攪拌焊接或加 工的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及摩擦攪拌加工。更具體地，本發(fā)明是用于使用固態(tài)方法使摩擦攪 拌加工材料能夠被混合在弧形基層中的方法和系統(tǒng)，其中所述方法公開(kāi)了將摩擦攪拌加工 材料夾持或牢固地固定就位同時(shí)將其摩擦攪拌加工到弧形基層中的各種方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 摩擦攪拌焊接（下文中"FSW"）是為了焊接金屬和金屬合金而開(kāi)發(fā)的技術(shù)。FSW 方法通常涉及通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌銷或軸將兩個(gè)鄰接的工件嚙合在接頭的任一側(cè)上。施加驅(qū)動(dòng)力 迫使軸和工件靠在一起，并且由軸和工件之間的相互作用引起的摩擦熱導(dǎo)致材料在接頭的 任一側(cè)上的塑化。軸沿著接頭穿過(guò)，當(dāng)其前進(jìn)時(shí)將材料塑化，并且緊隨前進(jìn)的軸被塑化的材 料冷卻以形成焊縫。
[0003] 圖1為用于摩擦攪拌焊接的工具的透視圖，其特征在于一般為圓柱形的工具10， 其具有肩部12和從肩部向外延伸的銷14。銷14相對(duì)于工件16轉(zhuǎn)動(dòng)直至產(chǎn)生充足熱量，在 此點(diǎn)上的工具銷被插入到塑化工件材料中。工件16通常為在接線18處對(duì)接在一起的兩片 或兩塊材料板。銷14在接線18處被插入工件16中。
[0004] 由銷14相對(duì)于工件材料16的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的摩擦熱導(dǎo)致工件材料在沒(méi)有達(dá)到熔 點(diǎn)的情況下軟化。沿著接線18橫切地移動(dòng)工具10,由此隨著塑化材料圍繞銷從前沿向尾端 流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生焊縫。結(jié)果是在接線18處的固相粘合20,與其它焊縫比較，其可能一般與工件 材料16本身是不易區(qū)別的。
[0005] 可觀察的是，當(dāng)肩部12接觸到工件的表面時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生附加的摩擦熱量，該熱 量將圍繞被插入的銷14的較大的圓形柱狀物材料塑化。肩部12提供了包含由工具銷14 導(dǎo)致的向上金屬流動(dòng)的鍛造力。
[0006] 在FSW期間，被焊接的區(qū)域和工具互相相對(duì)移動(dòng)，使得工具穿過(guò)期望的長(zhǎng)度的焊 縫。轉(zhuǎn)動(dòng)的FSW工具提供了連續(xù)的熱加工作用，隨著其橫向沿著基底金屬移動(dòng)，在狹窄的區(qū) 域中將金屬塑化，同時(shí)將金屬?gòu)匿N的前面輸送到其尾端。隨著焊接區(qū)域冷卻，由于隨著工具 經(jīng)過(guò)沒(méi)有產(chǎn)生液體，一般不存在凝固。一般但不總是這樣的情況，即得到的焊件是形成在焊 接區(qū)域內(nèi)的無(wú)缺陷、再結(jié)晶的微晶粒的微觀結(jié)構(gòu)。
[0007] 以前的專利文件教導(dǎo)了能夠用以前認(rèn)為是功能上不可焊接的材料來(lái)實(shí)施摩擦攪 拌焊接的優(yōu)勢(shì)。一些這樣的材料為非融合可焊接的，或者只是難于完全焊接。這些材料包 括。例如金屬基復(fù)合物、比如鋼和不銹鋼的鐵合金，和有色材料。另一個(gè)也能利用摩擦攪拌 焊接的材料類別是超合金。超合金可以是具有較高熔化溫度的青銅或鋁的材料，并且可以 具有也混合在內(nèi)的其它元素。一些超合金的實(shí)例為一般在大于1000度F的溫度下使用的 鎳、鐵鎳和鈷基合金。通常在超合金中發(fā)現(xiàn)的附加元素包括但不限于鉻、鑰、鎢、鋁、鈦、鎳、 鉭和錸。
[0008] 注意到鈦對(duì)于摩擦攪拌焊件也是期望的材料。鈦是有色材料，但是具有比其它有 色材料更高的熔點(diǎn)。
[0009] 以前的專利教導(dǎo)的是需要用比摩擦攪拌焊接的材料更高熔化溫度的材料形成的 工具。在一些實(shí)施方案中，在工具中使用了超硬磨料。
[0010] 本發(fā)明的實(shí)施方案一般涉及這些功能上不可焊接的材料，以及超合金，并且在下 文中貫穿該文件被稱作"高熔化溫度材料"（HMTM)。然而，本發(fā)明的原理也適用于低熔化溫 度材料，比如被認(rèn)為是部分高熔化溫度材料的鋁和其它金屬和金屬合金。
[0011] FSW技術(shù)中最近的進(jìn)展產(chǎn)生了在摩擦攪拌焊接的固態(tài)接合加工期間能夠用以將比 如鋼和不銹鋼的高熔化溫度材料接合在一起的工具。
[0012] 如前面所述闡述，該技術(shù)涉及使用特殊的摩擦攪拌焊接工具。圖2示出了多晶立 方氮化硼（PCBN)的尖部30、鎖環(huán)32、避免移動(dòng)的熱電偶固定螺釘34和柄部36。該工具的 其它設(shè)計(jì)也在發(fā)明人的現(xiàn)有技術(shù)中示出，并包括整體式工具和其它設(shè)計(jì)。
[0013] 當(dāng)使用該摩擦攪拌焊接工具時(shí)，其在各種材料的摩擦攪拌焊接中都有效。該工具 的設(shè)計(jì)當(dāng)使用除了 PCBN和PCD(多晶金剛石）的各種工具尖部材料時(shí)也是有效的。一些這 些材料包括比如鎢、錸、銥、鈦、鑰等的難熔材料。
[0014] 發(fā)明人是開(kāi)發(fā)與高熔化溫度合金比如鋼、不銹鋼、鎳基合金和很多其它金屬一起 使用的摩擦攪拌焊接技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。該技術(shù)經(jīng)常需要使用多晶立方氮化硼工具，液體冷卻 工具固定器、溫度獲得系統(tǒng)和合適的設(shè)備從而具有可控制的摩擦攪拌焊接加工。
[0015] -旦該技術(shù)作為用于接合這些材料的更好方法被建立，MegaStir Technologies LLC公司就開(kāi)始尋找能夠很大地從該技術(shù)獲益的應(yīng)用。對(duì)于摩擦攪拌焊接（FSW)的一個(gè)最 大應(yīng)用是接合比如管道的弧形表面。
[0016] 將先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼（AHSS)制成管道，因?yàn)樾枰^少材料，獲得較高強(qiáng)度性能，并 且可以降低總管道成本。使用AHSS的困難在于使用傳統(tǒng)的融合焊接方法。在產(chǎn)業(yè)中可以 接受的是每個(gè)管道的接合包括缺陷或裂紋。這些缺陷被接受，因?yàn)榧词故褂脧?fù)雜的自動(dòng)融 合焊接系統(tǒng)，其也不能被消除。焊接AHSS比現(xiàn)有的管道鋼更加困難得多，因?yàn)椴牧系某煞?固有地產(chǎn)生更多的融合焊接缺陷。
[0017] FSW現(xiàn)在已經(jīng)成為接合管段的可行技術(shù)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于接合管段的摩擦攪拌焊 接機(jī)械。轉(zhuǎn)動(dòng)工具隨著其產(chǎn)生摩擦熱量而插入到接頭中。一旦工具插入到工件的橫截面中， 將工具圍繞管道作圓周行進(jìn)，同時(shí)接頭被"攪拌"在一起。然后將FSW工具收回并且將機(jī)械 沿著管道移動(dòng)到下一個(gè)管道接頭從而進(jìn)行摩擦攪拌焊接。
[0018] 在HMTM的FSW期間的最近的一個(gè)觀察結(jié)果為在加工期間圍繞工具流動(dòng)的材料可 能被改變，從而具有比被接合的基底材料更細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。在一些高熔化溫度合金中該接 頭性能可能被進(jìn)一步提高，因?yàn)樵诒粩嚢璨牧系臏囟认碌姆浅６痰募庸r(shí)間可產(chǎn)生更快的 淬火和更高的硬度，一些在任何已知的熱處理方法中不能獲得的性能。這些觀察結(jié)果已經(jīng) 產(chǎn)生在下文中將被稱作摩擦攪拌加工（FSP)的新技術(shù)。
[0019] 特定的HMTM可以被摩擦攪拌加工，從而具有非常高的硬度和韌性，這是通過(guò)在 FSP期間同時(shí)改善晶粒結(jié)構(gòu)和溶液硬化材料而獲得的。對(duì)于該創(chuàng)新材料加工方法存在未授 權(quán)的專利以及在著名雜志中發(fā)表的文章，其描述了該發(fā)明背后的技術(shù)。FSP在石油和天然氣 工業(yè)、原子能工業(yè)、汽車工業(yè)、航空工業(yè)和建筑工業(yè)中產(chǎn)生了極大興趣，因?yàn)槠淇杀挥糜跇O 大提高材料的硬度和韌性。在該技術(shù)之前，沒(méi)有已知的方法在一種材料中同時(shí)獲得這些性 能。例如，F(xiàn)SP可以產(chǎn)生具有碳化鎢硬度的一種材料或材料的局部部分，同時(shí)保持低碳鋼的 柔韌性。利用該技術(shù)被銷售的商品的一個(gè)實(shí)例為"FRICTION FORGED"的手持刀片。該刀片 利用FSP技術(shù)并具有數(shù)據(jù)和出版物，以示出其怎樣比世界上所有其它刀片更好的鋒利度、 硬度和韌性。
[0020] 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了使用典型的FSW設(shè)備和工具作業(yè)方法的FSP。目前或用于研究或用于 生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)FSW的大多數(shù)設(shè)備一般為接合扁平截面。其一些實(shí)例包括船舶甲板、火車和地 面、熱交換器和扁平面板接合。施加在FSW工具上的負(fù)載一般為軸向方向上的幾噸和高達(dá) 軸向力的50%的橫向工具驅(qū)動(dòng)力。在與平直板材和平直截面的加工中，工件可以通過(guò)商業(yè) 上可得到的夾具來(lái)固定，該夾具可以被螺絲固定至桌子上。這些夾具可以或機(jī)械或液壓緊 固。由于FSW是更像傳統(tǒng)金屬加工的機(jī)加工，這些傳統(tǒng)夾具可很好工作。在一些情況下，需 要附加的夾具，因?yàn)閷?duì)于具有更厚截面的FSW需要增大工具載荷。
[0021] 在該文件中，F(xiàn)SP指的是任何固態(tài)的接合方法。沒(méi)有商業(yè)可行的固定或夾持系統(tǒng) 可適于用在FSP的彎曲或弧形表面上?？稍O(shè)計(jì)和制造傳統(tǒng)夾持系統(tǒng)，其利用特定的弧形工 作臺(tái)并附帶在平面產(chǎn)品中使用的相同的夾持系統(tǒng)，然而，這些系統(tǒng)不實(shí)用，因?yàn)槠淇赡懿贿m 合于變化的半徑或復(fù)雜的弧形表面。
[0022] 另外，F(xiàn)SP通常需要連接至或覆蓋在另一種材料的弧形表面的一種或多種材料類 型，以及增加成本和浪費(fèi)的后加工需要。這不僅使怎樣將底座工具固定以抵抗FSP工具加 工負(fù)荷而且使位于其表面上的材料進(jìn)一步復(fù)雜化。而且，待摩擦攪拌加工在底座工件上的 材料的熱膨脹通常與底座工件材料不同，并且將材料固定就位必需考慮熱膨脹的差異。因 此需要?jiǎng)?chuàng)造性和創(chuàng)新的方法，從而經(jīng)濟(jì)地將材料固定就位在待摩擦攪拌加工的弧形表面 上。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 本發(fā)明的目的是提供使得具有平直或弧形的表面的材料能夠相對(duì)于同樣具有平 直或弧形表面的基層被固定就位，從而進(jìn)行摩擦攪拌加工的方法。
[0024] 本發(fā)明是一種將摩擦攪拌加工材料固定就位在具有弧形表面的基層上以采用固 態(tài)工藝將摩擦攪拌加工材料混合到曲面基層中的系統(tǒng)和方法，其中所述系統(tǒng)包括選擇將摩 擦攪拌加工材料結(jié)合至基層的多種機(jī)械裝置中的一種，其使得所進(jìn)行的摩擦攪拌加工是經(jīng) 濟(jì)的、有效的和安全的。
[0025] 從對(duì)下面結(jié)合所附附圖的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些和其它目的、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和替 代方面對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯而易見(jiàn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為在現(xiàn)有技術(shù)中教導(dǎo)的摩擦攪拌焊接工具的透視圖。
[0027] 圖2為可移除的多晶立方氮化硼尖端、鎖環(huán)和柄部的透視圖。
[0028] 圖3為顯示FSP材料是怎樣插入到FSP基層的凹口中，使得FSP材料與基層齊平 的概念的透視圖。
[0029] 圖4為顯示在將FSP材料固定在管道上之前，圍繞鉆管接頭的端部放置的FSP材 料的透視圖。
[0030] 圖5為顯示使用含有施加夾持力的固定螺絲的環(huán)圈將FSP材料放置和固定就位的 透視圖。
[0031] 圖6為顯示使用具有相同或不同材料的在以后可被移除的帶狀物將FSP材料放置 和固定就位透視圖。
[0032] 圖7為顯示FSP帶狀物怎樣與FSP材料嚙合以便將固定和保持在基層的位置上的 兩種可能性的透視圖。
[0033] 圖8為顯示怎樣使用摩擦刀頭接合固定就位FSP材料的透視圖。使用過(guò)盈機(jī)械緊 固件（即緊配合栓、鉚釘?shù)龋┛色@得類似的固定。
[0034] 圖9為顯示怎樣使用摩擦刀頭接合固定就位FSP材料的透視圖。
[0035] 圖10為顯示壓緊輪怎樣能用作動(dòng)力固定系統(tǒng)以將FSP材料定位的透視圖。
[0036] 圖11為顯示纜線或鏈條怎樣能用于施加動(dòng)態(tài)張力以將FSP材料固定在基層上的 透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 現(xiàn)在將參照本發(fā)明的細(xì)節(jié)，其中本發(fā)明的各種元件將被描述和討論，從而使本領(lǐng) 域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。可以理解的是，下面的說(shuō)明只是本發(fā)明原理的舉例，并 且不應(yīng)被看做縮小隨附權(quán)利要求的范圍。
[0038] 對(duì)于FSP可能不存在"一種方法適合所有情況"的方案，從而在弧形表面上將材料 定位和固定就位。因此，開(kāi)發(fā)了一類創(chuàng)新性概念，其可以經(jīng)濟(jì)有效和安全地解決在弧形表面 上摩擦攪拌加工提出的問(wèn)題。重要的是認(rèn)識(shí)到這些概念可以相互結(jié)合使用，并且在不背離 本發(fā)明范圍的情況下，可以使用這些概念的實(shí)施方案。
[0039] 改進(jìn)鉆管的耐磨性是可從摩擦攪拌加工受益的商業(yè)產(chǎn)品的實(shí)例，因此要求本發(fā)明 的實(shí)施方案變得可行。當(dāng)鉆頭刀片鉆入土中時(shí)，其必須轉(zhuǎn)動(dòng)，并且一起旋擰形成鉆柱的管道 的很多截面也轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔方法。不可避免地，不停轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆管在直徑上磨損并且必 需不斷更換。更換鉆管需要很高的經(jīng)濟(jì)成本，并且當(dāng)供應(yīng)全世界很多鉆井設(shè)備時(shí)其成為后 勤上的困難。
[0040] 鉆孔也使用鉆柱進(jìn)行，該鉆柱延伸通過(guò)金屬套管（裝管），該套管可以粘合在已被 鉆出的孔的截面內(nèi)。套管被用于避免當(dāng)鉆入更深孔的截面時(shí)孔自身的塌陷。鉆柱不僅磨損， 而且鉆柱的轉(zhuǎn)動(dòng)也引起套管磨損，從而發(fā)生套管破裂。當(dāng)進(jìn)行水平鉆孔時(shí)，這一問(wèn)題變得更 加顯著。當(dāng)鉆柱開(kāi)始在水平方向彎曲時(shí)，其磨損了套管的彎曲部分。如果套管破裂，那么在 該地點(diǎn)的鉆孔必須停止，并且對(duì)鉆井的投資可能損失。
[0041] 目前，被稱作環(huán)形加硬層的融合或熔化/凝固方法被用于改進(jìn)鉆管的耐磨性。融 合的環(huán)形加硬層是通過(guò)將金屬與混合在內(nèi)的碳化物硬質(zhì)顆粒熔化并將該混合物涂在管道 表面上而制造的。一旦熔化的混合物凝固，使用了環(huán)形加硬層的管道的表面外觀很粗糙。在 鉆孔操作中，在鉆孔期間，環(huán)形加硬層的區(qū)域內(nèi)的硬質(zhì)顆?？赡芤鹛坠軣o(wú)用的切割、研磨 或機(jī)加工。這個(gè)問(wèn)題非常嚴(yán)重，使得在鉆井裝備處可能使用大的電磁鐵，以便移除目前漂浮 在鉆井液中的套管碎片。在鉆孔期間，使用與安裝了環(huán)形加硬層的套管部分接觸的鉆管，這 些套管碎片可以被加工以遠(yuǎn)離套管。
[0042] 作為很多可能的實(shí)例中的僅僅一個(gè)，可以使用具有弧形表面的鉆管連接，從而例 示用于環(huán)形加硬層的材料是怎樣被摩擦攪拌加工，同時(shí)定位和固定就位在弧形表面上的。
[0043] 圖3在透視圖中例示了本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案。該圖示出了具有曲面的摩擦攪 拌加工（FSP)基層42。FSP基層42可以是管道或具有曲面的任何其它工件。FSP基層42 可具有在曲面中形成的凹口 44或壓痕。形成凹口 44的方法被認(rèn)為是本發(fā)明的可授予專利 權(quán)的方面。重要的是凹口 44在FSP基層42的曲面中產(chǎn)生。凹口 44的輪廓在FSP基層42 上示出。凹口 44可以順應(yīng)于FSP基層42的曲面。
[0044] 然后將摩擦攪拌加工（FSP)材料48放置在凹口 44內(nèi)?？梢孕纬蒄SP材料48,使 得其順應(yīng)于FSP基層42的曲面。FSP材料48可與FSP基層42的曲面齊平，但這不是所要 求的。
[0045] 使用任何合適的手段可將FSP材料48固定就位，該手段包括但不應(yīng)認(rèn)為局限于， 擴(kuò)散粘結(jié)、過(guò)盈配合、鉚接、定位焊、有待以后移除或摩擦攪拌加工到FSP基層42中的粘合 劑和釬焊材料和FSP材料48。
[0046] 將被摩擦攪拌加工到FSP基層42中的FSP材料48可以是與FSP基層不同的材料。 例如，F(xiàn)SP材料48可包括比FSP基層42更硬的材料，目的是在FSP基層42上產(chǎn)生比初始 FSP基層材料更硬的部分。FSP材料48可具有與FSP基層42不同的性能或質(zhì)量，由此改善 FSP基層。這種將更硬的材料摩擦攪拌加工到初始的FSP基層42中的方法可實(shí)現(xiàn)FSP基層 上的環(huán)形加硬層。
[0047] 凹口 44可以制成比放置在凹口內(nèi)的FSP材料48更大。通過(guò)制造比基層材料48 更大的凹口，可以設(shè)置膨脹間隙46,其顧及FSP基層42、FSP材料48或者兩者的膨脹。當(dāng) 加熱FSP基層42和FSP材料48時(shí)，可發(fā)生任何材料的膨脹。FSP材料48的膨脹可在一個(gè) 或多個(gè)方向上，需要用于膨脹的更多自由度之一。圖3也示出了可用于將FSP材料48摩擦 攪拌加工到FSP基層42中的摩擦攪拌加工工具40。
[0048] 應(yīng)理解的是凹口 44可以只部分圍繞FSP基層42延伸，或者其可以圍繞FSP基層 42的整個(gè)圓周延伸。而且，在FSP基層42上的多個(gè)位置內(nèi)可有多個(gè)凹口 44。
[0049] FSP材料48可具有與FSP基層42的曲面垂直的接觸表面。FSP工具40可以是消 耗工具或非消耗工具。
[0050] 圖4為表示本發(fā)明的可選實(shí)施方案的透視圖。特別地，凹口 44可以不設(shè)置在FSP 基層42中。而是，F(xiàn)SP材料48可以設(shè)置在FSP基層42的曲面上。該圖表示FSP材料現(xiàn)在 的形式為FSP帶48。FSP帶48可以是條狀材料，或者其可以已形成與FSP基層42的周圍 匹配的完整的管道。
[0051] 可以使用任何合適的手段將FSP帶48固定至FSP基層42上。圖4表示形成FSP 基層42的鉆管端部。在FSP帶48被摩擦攪拌加工到FSP基層42中之前，其可能需要被固 定，使得在摩擦攪拌加工期間其不被移出位置之外。
[0052] 圖5為用于當(dāng)實(shí)施摩擦攪拌加工時(shí)將FSP帶48固定就位的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案 的透視圖。該圖表示夾持環(huán)50可能被設(shè)置在FSP帶48的任一個(gè)端部。夾持環(huán)50可包括 將夾持環(huán)固定就位在FSP帶48的頂部上的固定螺釘70。應(yīng)理解的是可能只需要單個(gè)夾持 環(huán)50來(lái)固定FSP帶48。
[0053] 盡管該實(shí)施方案表示了固定螺釘70的使用，但是該實(shí)施方案可使用用于將夾持 環(huán)50固定就位的任何合適的裝置，包括可被徑向移除而不沿著圓柱形FSP基層42的軸滑 下的接頭和閉鎖組件。夾持環(huán)50也可以由可消耗環(huán)或弧形物構(gòu)成，該可消耗環(huán)或弧形物由 能夠融合連接至FSP基層42的曲面以便夾住FSP帶48的材料制成，然后使用比如機(jī)加工、 研磨和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它后處理技術(shù)的機(jī)械移除方法被隨后移除。
[0054] 圖6為當(dāng)將FSP工具40用于摩擦攪拌加工時(shí)將FSP帶48固定就位在FSP基層42 上的一個(gè)不同實(shí)施方案的透視圖。該實(shí)施方案示出了可以將一個(gè)或多個(gè)犧牲帶52設(shè)置在 FSP帶48的一個(gè)或兩端上。犧牲帶52可以由任何合適的材料構(gòu)成?？梢詫奚鼛?2摩擦 攪拌加工到FSP基層42中，或者其可通過(guò)任何合適的后處理手段被全部或部分移除。
[0055] 圖7為表示關(guān)于犧牲帶52可怎樣將用于摩擦攪拌加工的FSP帶48固定就位的細(xì) 節(jié)的特寫和透視圖。在一個(gè)實(shí)施方案中，犧牲帶52形成與FSP帶48的轉(zhuǎn)角件54。FSP帶 48可具有相對(duì)于犧牲帶52上的角度的余角轉(zhuǎn)角件54。
[0056] 在可選的實(shí)施方案中，圖7表示犧牲帶52和FSP帶48可具有重疊的補(bǔ)充平行表 面56。重疊的平行表面56使得犧牲帶52能夠?qū)SP帶48固定就位在FSP基層42上。平 行表面56的一個(gè)優(yōu)勢(shì)為可以設(shè)置間隙66,其顧及FSP帶48、犧牲帶52或者兩者的熱膨脹。
[0057] 也可以提供用于將FSP帶48固定就位的其它手段。這些其它手段包括但不應(yīng)認(rèn) 為局限于緊配合栓、鉚釘和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它裝置。重要的是可以使用任何機(jī)械 固定或連接裝置來(lái)固定就位FSP帶48。
[0058] 圖8為本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。在FSP帶48被摩擦攪拌加工之前，其可 以在一個(gè)或多個(gè)位置處被連接至FSP基層42。在該可選的實(shí)施方案中，使用摩擦攪拌接合 將其固定在一起。例如，可使用摩擦攪拌刀頭58切入到FSP帶48和FSP基層42中。在使 用高旋轉(zhuǎn)速率切割通過(guò)兩種材料之后，摩擦攪拌刀頭58的旋轉(zhuǎn)速度可能下降，并且可引起 FSP帶48、FSP基層42和摩擦攪拌刀頭58的固態(tài)加工，并且可實(shí)現(xiàn)它們之間的固態(tài)結(jié)合。
[0059] 出現(xiàn)在FSP帶48上的摩擦攪拌刀頭58的部分可被剪掉或被留下從而摩擦攪拌加 工到FSP帶和FSP基層42中。同樣可理解的是使用一些種類的過(guò)盈機(jī)械緊固件（即緊配 合栓、鉚釘?shù)龋┮部扇〉脤SP帶48固定至FSP基層42上。
[0060] 圖9為表示本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施方案的透視圖?？墒褂娩N60將FSP帶48固定 至FSP基層42上。銷60通過(guò)孔68被插入FSP帶48中。孔68可以在一個(gè)方向上被伸長(zhǎng)， 能實(shí)現(xiàn)FSP帶48在摩擦攪拌加工期間的熱膨脹。例如，孔68可以沿著FSP基層42的長(zhǎng)軸 膨脹。
[0061] 使用過(guò)盈配合、螺紋或任何其它連接銷的合適裝置可將銷60連接至FSP基層42 上。也可能需要鉆孔到FSP基層42中，其有或沒(méi)有螺紋。銷60可以具有或不具有頭部。
[0062] 圖10為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。在該實(shí)施方案中，可以使用一個(gè)或多 個(gè)壓緊輪62相對(duì)FSP基層42固定FSP帶48。FSP工具40可以在其進(jìn)行摩擦攪拌加工時(shí) 相對(duì)于壓緊輪62緊壓FSP帶48。壓緊輪62可形成動(dòng)力固定系統(tǒng)，從而將FSP帶48保持在 FSP基層42上的正確位置中。
[0063] 圖11為能夠?qū)SP帶48固定就位在FSP基層42上的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案 的透視圖。在該實(shí)施方案中，可以使用纜線64或者鏈?zhǔn)┘訉SP帶48固定就位的動(dòng)態(tài)應(yīng) 力。纜線64可以手動(dòng)或自動(dòng)地圍繞FSP帶48施加扣緊力，從而圍繞FSP帶48施加應(yīng)力并 將其夾緊就位。
[0064] 應(yīng)理解的是，對(duì)于本發(fā)明的任何實(shí)施方案，在其完成將FSP帶48摩擦攪拌加工到 FSP基層42中后，可以使用引出板從FSP工具40中消除任何孔。
[0065] 本發(fā)明的另一個(gè)方面可以將液體或氣體應(yīng)用在FSP帶48和FSP基層42上，從而 提供冷卻。冷卻可幫助減小摩擦攪拌加工期間的熱膨脹。
[0066] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是在FSP基層42的0D上切割螺紋，并且在FSP帶48的 ID上切割補(bǔ)充螺紋。然后將FSP帶48旋擰到FSP基層42上。螺紋可以在摩擦攪拌加工期 間被消耗。
[〇〇67] 可以理解的是，上面所述的配置只是對(duì)本發(fā)明原理的應(yīng)用的例示。在不背離本發(fā) 明的主旨和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)多種修改和替代配置。所附的權(quán)利要 求意圖涵蓋這些修改和配置。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于將材料固定在具有曲面的基層中并將所述材料摩擦攪拌加工到所述基層 內(nèi)的方法，所述方法包括： 1) 提供具有曲面的基層； 2) 提供摩擦攪拌加工材料，將采用固態(tài)連接工藝將所述摩擦攪拌加工材料混合到所述 基層，由此改變所述基層的性質(zhì)； 3) 相對(duì)所述基層將所述摩擦攪拌加工材料定位并接附在期望的位置上；以及 4) 將所述摩擦攪拌加工材料摩擦攪拌加工到所述基層中，同時(shí)避免所述摩擦攪拌加工 材料移動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括在所述曲面中形成凹口，所述 摩擦攪拌加工材料可以放置在所述凹口中。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括使用過(guò)盈配合將所述摩擦攪拌 加工材料放置在所述凹口中。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括當(dāng)將所述摩擦攪拌加工材料放 置在所述凹口中時(shí)，沿著所述摩擦攪拌加工材料的至少一個(gè)邊緣提供至少一個(gè)間隙，由此 使得所述摩擦攪拌加工材料在摩擦攪拌加工期間沿著所述摩擦攪拌加工材料長(zhǎng)度的至少 一個(gè)方向上的熱膨脹。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括制造所述摩擦攪拌加工材料， 從而使其具有與所述凹口內(nèi)的所述基層的曲面垂直的接觸面。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括制作只部分圍繞所述基層的圓 周延伸的所述凹口。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括制作圍繞所述基層的整個(gè)圓周 延伸的所述凹口，從而在所述基層中形成狹槽。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括圍繞所述基層的圓周制作多個(gè) 離散的凹口。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將所述摩擦攪拌加工材料形成 為連續(xù)的摩擦攪拌加工帶，其完全圍繞所述基層的圓周。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括使用至少一個(gè)可拆式環(huán)接附 所述摩擦攪拌加工帶，所述可拆式環(huán)圍繞所述摩擦攪拌加工帶并且使用在所述至少一個(gè)可 拆式環(huán)中的多個(gè)固定螺釘擠壓所述摩擦攪拌加工帶。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括使用至少一個(gè)可拆式環(huán)接附 所述摩擦攪拌加工帶，所述可拆式環(huán)圍繞所述摩擦攪拌加工帶并且擠壓所述摩擦攪拌加工 帶，其中至少一個(gè)可拆式環(huán)包括能實(shí)現(xiàn)與所述摩擦攪拌加工帶接附和移除的接頭和閉鎖裝 置。
12. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括： 1) 提供至少一個(gè)犧牲帶，以提供相對(duì)所述基層固定所述摩擦攪拌加工帶的機(jī)械接附裝 置；和 2) 將摩擦攪拌加工帶摩擦攪拌加工到所述基層中。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將所述摩擦攪拌加工帶加工 到所述基層中之后，移除所述至少一個(gè)犧牲帶。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括從包括摩擦刀頭連接、螺栓 連接、鉚接、點(diǎn)焊、釬焊、使用滾軸系統(tǒng)繞所述摩擦攪拌加工帶纏繞纜線和使用粘合劑將所 述摩擦攪拌加工帶接附至所述基層的機(jī)械接附方式的組中選擇機(jī)械接附裝置。
15. -種用于將材料固定在具有曲面的基層中并將所述材料摩擦攪拌加工到所述基層 內(nèi)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 具有曲面的基層； 摩擦攪拌加工材料； 設(shè)置在所述基層中的凹口，所述凹口符合所述曲面，并且其中所述凹口為所述摩擦攪 拌加工材料提供過(guò)盈配合；以及 摩擦攪拌加工工具，其用于將所述摩擦攪拌加工材料摩擦攪拌加工到所述基層中。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括具有接觸面的所述摩擦攪拌 加工材料，所述接觸面垂直于所述凹口的曲面。
17. -種用于將材料固定在具有曲面的基層中并將所述材料摩擦攪拌加工到所述基層 內(nèi)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括： 具有曲面的基層； 摩擦攪拌加工材料； 機(jī)械接附系統(tǒng)，用于相對(duì)所述基層固定所述摩擦攪拌加工材料；以及 摩擦攪拌加工工具，用于將所述摩擦攪拌加工材料摩擦攪拌加工到所述基層中。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括形成為完全圍繞所述基層的 圓周的連續(xù)的摩擦攪拌加工帶的所述摩擦攪拌加工材料。
19. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括： 圍繞所述摩擦攪拌加工帶的至少一個(gè)可拆式環(huán)；和 在所述至少一個(gè)可拆式環(huán)中的多個(gè)固定螺釘。
20. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括圍繞所述摩擦攪拌加工帶的 至少一個(gè)可拆式環(huán)，所述至少一個(gè)可拆式環(huán)具有接頭和閉鎖裝置，以實(shí)現(xiàn)與所述摩擦攪拌 加工帶的接附和移除。
21. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)犧牲帶，以提供相 對(duì)于所述基層固定所述摩擦攪拌加工帶的機(jī)械接附裝置，其中可在摩擦攪拌加工后移除所 述至少一個(gè)犧牲帶，或者可用所述摩擦攪拌加工帶將所述至少一個(gè)犧牲帶加工到所述基層 中。
22. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括從包括摩擦刀頭連接、螺栓 連接、鉚接、點(diǎn)焊、釬焊、使用滾軸系統(tǒng)繞所述摩擦攪拌加工帶纏繞纜線和使用粘合劑將所 述摩擦攪拌加工帶接附至所述基層的機(jī)械接附方式的組中選擇機(jī)械接附裝置。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104114315SQ201280065649
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】保羅·T·希金斯, 大衛(wèi)·羅薩爾, 塞繆爾·C·桑德森, 羅素·J·斯蒂爾, 斯科特·M·帕克, 杰里米·彼得森, 史蒂夫·W·拉森, 喬納森·A·巴布 申請(qǐng)人:美佳斯迪爾科技有限責(zé)任公司