CN1631601A - 使用超级研磨工具的摩擦搅动焊接 - Google Patents

Abstract

用于摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金的工具(28)包括一个柄部(30)、一个肩部(32)和一个穿过肩部进入柄部的销子(34)，其中销子和肩部至少包括由超级研磨材料构成的涂层，销子和肩部设计得减小了应力梯极，围绕肩部和柄部的一部分设有一环套(36)，从而防止肩部相对于柄部的转动，通过在肩部和柄部之间设置第一热流阻挡层，以及在环套和工具之间设置第二热流阻挡层来进行热管理。

Description

使用超级研磨工具的摩擦搅动焊接

技术领域

本发明一般涉及摩擦搅动焊接，其中为形成焊接的热量是通过将一工具的转动销插入工件而产生的。更具体来说，本发明涉及用于摩擦搅动焊接过程中的新工具，它使本发明可用于焊接采用现有技术的摩擦搅动焊接方法及工具在机能上不能焊接的材料，所述材料包括铁合基金如不锈钢，以及只含少量或根本不含铁材料的熔点较高的超级合金。

背景技术

摩擦焊接已在工业中使用多年。这是一种可产生大的经济效益的固态工艺，这是由于它可避免在传统熔化焊接工艺中出现的伴随熔化材料固化带来的许多问题。

摩擦焊接的一个实例是在两个管件的端部压在一起，一个管件牢固保持在位，而另一管件压在其上并转动时发生的。由于摩擦生热，管件端部被塑化。通过迅速停止管件转动，两管件熔合在一起。应注意的是，在这种情形中，摩擦生热是通过两个待接合零件的相对运动而引起的。

对比来说，图1是用于摩擦搅动对焊的工具的立体图，其特征是，一个基本圆柱形的工具10具有一个肩部12和一个从肩部向外延伸的销子14。销子14抵靠工件16被转动，直至产生足够的热量，其中工具的销子插入被塑化的工件材料。工件16往往是在一条接合线18上对接的两个片材或板材。销子14在接合线18上插入工件16。销子14抵靠工件16的材料转动引起的摩擦热量使工件材料软化而不达到熔点。工具10沿接合线18横向移动，从而随着塑化的材料围绕销子从前缘流向后缘而形成一条焊缝。其结果是在接合线18上形成固态结合部20，它与工件16的材料基本上是无法区分的。

现有技术中有许多关于摩擦搅动焊接的专利，这些专利公开了采用这种技术来得到焊缝的好处，这种焊缝具有超过同时代的熔焊工艺的优点。这些优点包括在长焊缝中的低变形、无烟雾、无孔隙、无溅泼和与抗拉强度相关的极好机械性能。另外，这种方法具有的优点是使用无消耗的工具、无需填料丝、无需气罩和容忍不良的焊接准备工作如在焊接区有氧化物。这种方法对于防止显著的热损伤或改变被焊接的原来材料的性质是特别有益的。

但是，工业界长期以来的一个愿望是能够焊接目前在功能上不能用摩擦搅动焊接法焊接的材料。因此，虽然摩擦搅动焊接是用于焊接非铁合金如铅、黄铜和青铜的很优越的技术，但是一直没有能够在功能上焊接具有较高熔点的材料的工具。显然，功能上能够焊接的材料是那些能够使用摩擦搅动焊接法在长于标称长度上可焊接而不损坏工具的材料。

不幸的是，熔焊改变或损伤在焊缝上的合金，因而由于在焊接过程中在焊缝中形成的缺陷或不利的状态而危及焊缝。在某些情形中，已经加入原来的工件材料中以形成合金的非金属加强材料在焊缝上被耗尽。结果使焊缝具有与原来的工件材料的未改变区域不同的性质和特点。

直到现在，采用传统的摩擦搅动焊接，工具或探针显著磨损以便防止MMCs、铁合金及超级合金等材料的功能性焊接，这一直是摩擦搅动焊接的性质。如果传统的工具能够开始摩擦搅动焊接，那么，磨损会很严重，以致只是一个短距离后探针就会被撕开。例如，某些合金引起探针上的磨损，只焊接几英寸的距离后它就不再发挥作用。

不幸的是，当探针故障后，一般不能简单地插入一个新的工具来开始摩擦搅动焊接过程。如果焊缝不连续且是不间断的，由于机械性弱点它是无用的。另外，工具的一部分一般留在工件材料内，也会加重机械性弱点。

因此，提供一种用于摩擦搅动焊接法的新工具，使材料能够较长连续及不间断焊接运行(功能性焊接)，将是对现有技术的一个进步，而这种较长连续且不间断焊接运行在一个短距离后就会使传统工具失效。如果新工具能够摩擦搅动焊接那些以前很难用传统的摩擦搅动焊接工具焊接的材料，那么，这也是对现有技术的一个进步。如果提供一种能够用传统的工件材料进行摩擦搅动焊接，同时表现出改善的工具磨损特性，那么这也是一个进步。

希望用摩擦搅动焊接，但功能上不能用传统工具的第一类材料为金属基体复合材料(MMCs)。金属基体复合材料是具有金属相和陶瓷相的材料。陶瓷相的实例包括碳化硅和碳化硼。金属基体复合材料中常用金属为铝。

金属基体复合材料具有需要的刚性和磨损特性，但是，它们也具有低的断裂韧性，因而限制了应用。金属基体复合材料用途的一个良好实例是在机动车辆上的盘式制动器转子，其中韧性、强度及磨损都优于现有材料，较大的脆性一般不成问题。金属基体复合材料使这种转子轻于铸铁，陶瓷相如碳化硅使耐磨性更大。

金属基体复合材料的其它重要应用包括但又不限于：驱动轴、缸衬、发动机连杆、飞机着陆装置、飞机发动机零件、自行车框架、高尔夫球杆、辐射性屏蔽构件、卫星和航空结构等。

需要摩擦搅动焊接并且具有大得多的工业应用的第二类材料是铁合金。铁合金包括钢和不锈钢。可能的应用范围很大，包括造船、航空航天、铁路、建筑和运输业。仅不锈钢的市场就至少比铝合金市场大五倍。已经确定，钢和不锈钢占焊接制品的80％以上，极为需要能够进行摩擦搅动焊接。

最后，需要摩擦搅动焊接并且具有广阔工业应用、具有比铁合金高的熔点、具有小量铁或不含铁的第三类材料是超级合金。超级合金是镍基、铁-镍基、钴基合金，一般用于高于1000°F的温度。在超级合金中的附加元件包括但又不限于：铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽和铼。

应注意的是，钛也是需要摩擦搅动焊接的材料。钛是非铁材料，但具有比其它非铁材料高的熔点。

至今为止，创造一种能够功能性地焊接金属基体复合材料、铁基合金和超级合金的工具一直存在严重的困难。在发明人最初想要改进可摩擦搅动焊接非铁基合金的现有工具的实验过程中，上述一些问题只是变得明显了。下面将描述这种工具的这些困难和进展，以便使读者能够实施本发明。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于摩擦搅动焊接的新工具，它具有超过传统工具的改善的磨损特性。

本发明的另一个目的是使提供的新工具包括超级研磨材料，它能够摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、超级合金、以及非铁基合金。

本发明的另一个目的是使提供的新工具能够改善对非铁基合金的焊接特性。

本发明的另一个目的是使提供的新工具能够降低焊接材料的精加工成本。

本发明的另一个目的是使提供的新工具具有改善的几何形状，以便在摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金和超级合金时减少工具的磨损。

本发明的另一个目的是减少新工具的热、机械磨损和化学蚀损。

本发明的另一个目的是提供对新工具的热管理。

在一个推荐实施例中，本发明为一个用于摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金的工具，该工具包括一个柄部、一个肩部和一个穿过肩部进入柄部设置的销子，其中销子和肩部至少包括超级研磨材料构成的涂层，销子和肩部设计得可减小应力梯级，围绕肩部的一部分和柄部设有一个环套，从而制止肩部相对于柄部的转动，通过在肩部和柄部之间，以及在环套和工具之间设置热流阻挡层而进行热管理。

在本发明的第一方面中，柄部、肩部和销子是独立的构件，它们结合在一起形成摩擦搅动焊接工具，其中，肩部和柄部包括超级研磨材料涂层。

在本发明的第二方面中，柄部和肩部是一个整体构件，包括在其至少一个部分上的超级研磨材料涂层，并具有一个带有超级研磨材料涂层的独立的销子。

在本发明的第三方面中，柄部、肩部和销子是整体构件，在其一部分上具有超级研磨材料涂层。

在本发明的第四方面中，使用热流阻挡层在工具内的热管理使足够的热量在销子上产生，从而能够进行摩擦搅动焊接，同时保护工具座架，使其免于热损伤。

在本发明的第五方面中，在销子上减小了应力梯级，较大的半径设置在肩部上，并且销子直径增大，从而能够摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金和超级合金。

在本发明的第六方面中，工具包括至少一个化学气相淀积(CVD)、离子束植入、和/或DVD涂层设置在超级研磨材料涂层上、从而增加对化学蚀损和机械磨损的耐力。

在本发明的第七方面中，工具涂有细丝加强的超级研磨材料，以便减少超级研磨材料涂层的剥落。

在本发明的第八方面中，沿工具纵轴线设置平面以防止在工具平移运动过程中工具分成分构件。

在本发明的第九方面中，超级研磨材料涂层是根据化学蚀损和机械磨损之间的平衡而选择的。

在本发明的第十方面中，超级研磨材料涂层是根据具有防止工件材料附着在工具上的低摩擦系数的特性而选择的，从而减小了工具的磨损。

下面对照附图进行详细描述，使本专业技术人员理解本发明的上述的和其它的目的、特征、优点和替代方案。

附图说明

图1是将两个材料板焊在一起的现有技术的摩擦搅动焊接工具的立体图。

图2A是按照本发明的原理制成的推荐实施例的侧剖图。

图2B是图2A所示工具的端视图。

图3是一个替代实施例的剖视图，其中，柄部、肩部和销子都是独立构件。

图4是另一个工具替代实施例的剖视图，其中，穿过柄部的长度设有一个孔，以利于销子的更换。

图5是另一个工具替代实施例的侧面图，其中，柄部、肩部和销子是整体构件。

图6A是用作销子的端铣刀坯件的侧面图，这种销子具有螺旋槽，其中设置超级研磨材料。

图6B是图6A的端铣刀坯件的端视图

图7A是另一个工具替代实施例的剖视图，其中柄部也用作一个锁紧环套。

图7B是能机械锁紧以防止肩部相对于柄部滑动的表面不规则性的特写侧面图。

图7C是能机械锁紧以防止肩部相对于柄部滑动的表面不规则性的特写侧面图。

图8是一个销子的侧剖图，该销子具有表面变形，用于在工件材料中形成围绕销子的转移或紊流。

图9A是一个销子的端视图，该销子包括在销子上的平面形式的表面变形，用于形成围绕销子的转移或紊流。

图9B是一个销子的端视图，该销子包括在销子上的不规则表面形式的表面变形，用于形成围绕销子的转移或紊流。

图10是一个工具的侧剖图，该工具具有一个偏心销或凸轮，用于形成围绕销子的转移或紊流。

具体实施方式

附图中对本发明中各零件都使用了附图标记，下面对照附图描述本发明，使本专业技术人员可理解和使用本发明。显然下面的描述只是对本发明的原理的举例，而不应理解为对权利要求书范围的缩小。

本发明的推荐实施例为一种工具，在销子和肩部中使用了超级研磨材料，并且在工具内利用了对热的控制，以便摩擦搅动焊接本来在功能上不能焊接的材料。因此，本发明使金属基体复合材料、铁基合金和超级合金的长、连续且不间断的焊接成为可能，而且不使工具显著变劣。

对目前推荐的实施例的发展过去存在很大的困难，因为传统的工具应用在金属基体复合材料、铁基合金和超级合金上时会磨损或断裂。这些困难可以归结为热磨损、机械磨损、化学蚀损、热管理、和工具的几何形状等诸方面。对这些困难的解决过去存在严重问题，直至工具的选材与工具正确的几何形状及热管理相结合才得以解决，这将在本发明的各实施例中详细说明。

最终得到能够从功能上焊接金属基体复合材料、铁基合金和超级合金的本发明的工具研制过程是从对一个破裂的工具的测试开始的。该破裂的工具是在金属基体复合材料制成的工件上实施焊接时销子破裂的。因此，只有一个抬高的用CBN形成的肩部借助一个锁紧环套设置在其上。发明人从未期望肩部来承受在含铁材料上的化学蚀损或机械磨损，但是想知道会发生什么。令人惊讶的是，在具有高熔点的工件上经过长且连续的运行以后肩部未表现出显著的磨损迹象。

试验的成功使发明人实验了各种工具实施例，试图识别那些可利用该破裂工具的令人惊讶的耐磨、耐热结果的工具特性。

图2A是作为那些试验结果的本发明推荐实施例的构件的侧剖图。以机械构件开始，工具28包括一个基本圆柱形的柄部30。一个带有整体销子34的肩部32连接于柄部30。一个环套36围绕柄部30的一部分和带有整体销子34的肩部连接。一个热流阻挡层38设置在环套36和柄部30的一部分及带有整体销子34的肩部32之间。

这个推荐实施例具有若干新颖的要素，从图2A只能看出其中的一些。首先，构制工具30所使用的优选材料是本发明的关键。柄部30最好为烧结碳化钨。选择烧结碳化钨是由于其强度，以及它的高的热传导性，这使柄部能够适当的冷却以保持它相对于工具28中使用的其它材料的强度。

超级研磨材料的一个有利的特性是其高的热传导性。但是，重要的是要理解热传导性对工具来说可以是有益，也可以是有害的，这取决于如何进行控制。实验表明，热管理是形成成功的摩擦搅动焊接工具的关键。

例如，当销子34涂有超级研磨材料时，这会导致从焊接区引出大量的热量，为了补偿，工具28必须比需要更强地被驱动，以便在焊接区域产生更多的热量。因此，一个成功的工具必须将足够的热量引至焊接区域，以便能够进行固相焊接，同时限制热量，使焊接区域保持尽可能的冷，以便获得高质量的焊接区域。换言之，由于超级研磨材料的高导热性，工具可以设计成可以调节任何需要的流出工具的热流，从而实现设计灵活性。对比而言，具有较低热传导性的材料会局限于其导热性值，或更低。

当大量热量由于需要的运行参数而产生时，也许必须依靠工具的外部冷却。其目的是得到一种工具，其热流特性可以被改变，以便实现最佳的焊接特性，包括冷却迅速的焊接。

为了保持工具和焊接区附近的工件之间摩擦产生的热量而研究了热管理方案。该方案的一个方面是选择柄部30的材料以限制从销子34至工具夹(未画出)的热流，工具夹夹紧工具28的安装端部42。工具夹使工具28转动，工具夹也可能被热损坏。热管理方案也保持柄部足够的冷，以抵抗摩擦搅动焊接期间的瞬变力(transitional forces)。

或者，也可以用高强度钢来替代柄部30的烧结碳化钨，但是，钢从肩部32和整体销子34传走的热量较少，因而使柄部温度较高并降低强度。但是，钢可借助适当的冷却工作。

如果销子34抵靠工件材料的转动就是使摩擦搅动焊接法能够产生热量的因素，那么，重要的是要了解多高的转动速度将导致功能性焊接。带有整体销子34的肩部32的转速最好在50rmp至2000rmp的范围内，这取决于被焊接的材料、工具的直径和工具的元素组成。应注意的是，工具的推荐的表面速度为每分钟7至400表面英尺之间。

摩擦搅动焊接法的定时与转速一样也不是无足轻重的。重要之处在于，只有当工件材料被充分加热形成塑化焊接区域时才将销子34插入工件材料。但是，这种定时对于所使用的材料、每种工具结构及所使用的工艺参数来说是变化的。

按照前面对于热流控制的评述可以理解热流阻挡层38的目的。关键之处在于，摩擦热量被适当管理控制以便将热量保持集中在工件材料上而不致通过工具28散开。在目前的推荐实施例中，钛和钽合金被选为热流阻挡层38的材料。选择钛合金是由于它能够承受工具28的温度，以及由于它的相对较低的导热性。尽管如此，应当认识到，钛合金不是可以使用的唯一材料。为了进行说明的目的，它也可以用发挥类似功能的材料来替代。

具有整体销子34的肩部32是本发明最新颖的要素，这是由于在它的制造中所使用的材料，以及它的几何形状的缘故。选择这些要素是为了克服摩擦搅动焊接法的极端的热、化学蚀损和机械磨损。磨损的一种类型不是必然比另一种类更为重要，正是它们导致了不同类型的故障。

关于材料，通过实验已经确定，在肩部32和销子34上使用超级研磨材料已经使本发明能够摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金。具体在推荐实施例中，多晶体立方一氮化硼(PCBN)被用作带有销子34的肩部32所用的衬底材料上的超级研磨材料涂层。

对于将PCBN涂层用作在衬底材料上的涂层的说明，意味着这种应用方法是不重要的，情况远非如此。涂层不只是使用室温方法涂覆的，而是涉及高温和超高压力。另外，施加超级研磨材料的表面的几何形状与超级研磨材料的耐磨能力及避免破裂故障具有很大关系。因此，本发明的一个重要方面是描述工具的几何形状，这种几何形状将从超级研磨涂层获得最佳效果。本发明的另一个重要方面是描述可以使用的超级研磨材料。现在描述如何施加涂层的一个实例。

PCBN是在超高温和超高压的(UHTP)压力机中用六角形一氮化硼制成的(1400℃或1673K下1百万psi)。对于特定的应用来说，时间和温度是可以调节的，以便形成具有最佳尺寸、形状和脆性的立方一氮化硼晶体。晶体的直径尺寸范围从1微米以至大约50微米。

为了制造本发明的肩部32和整体销子34，立方一氮化硼(CBN)晶体与不同的第二相材料的粉末混合。第二相材料是陶瓷或金属基的。CBN提供机械强度，而陶瓷则提供耐化学蚀损性。因此，CBN相对于第二相材料的百分比取决于具体应用，其中必须达到耐机械和耐化学蚀损之间的平衡。

已经确定，第二相材料一般可增加PCBN的韧性和化学稳定性。韧性部分是由于第二相抑制破裂扩展的能力。这里，由于CBN具有任意指向的倾向，因而有助于阻止剥落。较低CBN含量一般用于需要较高耐化学蚀损性和较低耐机械磨损性的硬化的高温超级合金的加工操作。较高的CBN含量则用于磨料的耐磨性，其中第二相一般是金属的以增加韧性。

值得注意的是，CBN晶体具有类似于金刚石的硬度值、导热性、热膨胀性、摩擦系数值、断裂韧性和横向断裂值。这些性质是使用第二相材料设计成的，以满足特定的应用要求。

混合粉末与衬底如烧结碳化钨、或者甚至与自由放置的PCBN坯件一起放置在一个耐火金属容器内。该容器被密封，返回至UHTP压力机，在那里被烧结在衬底上以形成PCBN工具坯件。然后，根据应用，PCBN工具坯件被磨削、研磨、放电加工(wire EDM)线切割或激光切割成形状和尺寸。

超级研磨材料是被限定为在高温和超高压下处理的材料。超级研磨材料包括PCBN和多晶体金刚石(PCD)。在周期表中，这些材料是包括从IIIA、IVA、VA、VIA、IIIB、IVB及VB延伸的元素的复合物。

超级研磨材料具有硬的主要的或第一相和次要的晶体相，该次要的晶体相利于主要的相的晶体结构的烧结和转变。超级研磨材料可以是导电的，也可以是不导电的。它们可以使用细丝加强物强化。它们也可以被认为是在高温高压处理过程中承受固态相变的材料，以及带有或不含粘合剂，通过烧结工艺形成的材料。

本发明的另一个方面涉及肩部32。取决于肩部是如何制成的，在肩部32上的超级研磨材料可以相对较薄。如果超级研磨材料要精加工成需要的形状，那么，这一点就变得重要了。如果精制形状包括倾斜的、锥度的或带角度的表面或其它类似的结构，象在本实施例中所示的那样，那么，重要之处在于这种倾斜不得刺穿超级研磨材料。因此，超级研磨材料的厚度必须足以提供需要的倾斜而不达到衬底材料。

当本发明过去在研制时，用于摩擦搅动焊接铝的工具使用在铁基合金中。工具在销子处发生故障。这里由于当摩擦搅动焊接的是具有较高熔点的材料时，以及当使用涂有超级研磨材料的肩部和销子时必须考虑到几何形状。因此，本发明的其它新颖特征包括：1)消除应力梯级，2)使用较大半径或倒棱，3)更均匀的应力分布和4)增加销子的直径。

关于应力梯级，许多现有技术的专利公开了奇异的销子结构，包括螺纹销子及具有锐利边缘和角度的销子。在销子上的螺纹一般来说是适用的，这是由于螺纹可将工件材料向下推回到工件中，形成搅动和较好的焊缝。但是，这种形状在本发明中一般并不适用，这是由于它们倾向于在超级研磨材料涂层中形成裂缝，但是可用在一种改进的形式中以减小应力梯级。因此，在肩部32和销子34上大的半径或倒棱是需要的。这种大的半径表示在图2A中。

关于销子半径，推荐实施例的销子34具有大于传统工具的半径。这部分是由于在摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金和超级合金时销子34将承受较大应力。销子直径可能最佳地表达为销子直径与销子长度之比值。在现在的推荐实施例中，该比值的范围是从0.2∶1至30∶1。

还应当注意，肩部32并不表示为相对于工件的一个平面。实际上，肩部32是凹形的。这种形状使塑化的工件材料更容易移动及围绕销子34流动。凹面形状也迫使塑化的工件材料返回工件。

虽然图中所示的相对较平的区域44在肩部32的外半径和内半径之间，但是，该区域44也可以弯曲而形成凹面或凸面。或者，肩部32相对于工件也可以为凸的或平的。

摩擦搅动焊接法需要工具夹向下压在工具28上。这种轴向压力一般足以在轴向上将构件30、32、34保持在一起。但是，工具28相对于工件平动，很大的转动力正迫使柄部30相对于肩部移动。使构件不彼此相对转动是很重要的。相对转动会使销子不能产生在工件焊接区域上的足够的摩擦热量。

因此，本发明的一个新颖要素是要求各构件机械锁紧。这种机械锁紧是必须的，这是由于对各构件的钎焊是工具28的一个弱点。因为钎焊材料的熔点最多是接近于正在进行摩擦搅动焊接的温度。

在早期的实验中，机械锁紧是通过楔形接合来实现的。但是楔形接合会扩散在工具28部分上的裂缝。因此，最好使用图2B所示的平面46。平面46与一锁紧环一起可防止工具28的构件30、32、34彼此间的相对滑动。虽然图中画出两个平面，但是，围绕工具28的圆周也可以设置一个至任何需要数目的平面。

或者，平面46也可用其它能够将工具的构件30、32、34机械锁紧在它们彼此保持相对静止的位置上的表面特征。所述其它表面特征包括花键、摩擦焊接、熔焊、在背部的栓锁或在柄部外径上的栓锁。

本推荐实施例的最后构件是环套36和热流阻挡层40。在实验中曾使用的第一环套材料之一是钛合金。不利的是，钛合金是可拉拔的，在高温下会蠕变和流动。最初用钛环套进行的试验显示，当工具作焊接运转时，钛合金环套实际上围绕肩部和销子及向着工件塌陷。

因此，决定用另一种材料围绕肩部32和柄部30紧固，将其机械锁紧。另外，为了使新的环套材料与肩部32和销子34的高温隔开，仍使用了钛合金。这种隔热也有助于热管理，从而在工件的焊接区域保持需要的温度。

本推荐实施例用超级合金作为环套36的材料。例如，镍-钴或钴-铬就是适当的超级合金材料。

图2B是工具28的端视图。从该图可以看到销子34、肩部32、钛合金热流阻挡层40和环套36。

虽然推荐实施例中用CBN作为肩部32和销子34上的超级研磨材料涂层，但是，这并不是唯一可以使用的超级研磨材料。例如，CBN的最佳替代物之一是多晶体金刚石。大家知道，PCD具有CBN的许多特性。

推荐实施例的尺寸只是用作实例来提供。销子的直径为0.37″。肩部的直径为1″。钛合金热阻挡层38、40的厚度为0.060″，环套36的直径为1.63″。图示的环套36的角度为15°，肩部的角度为6°。这些附图只是用于说明而不应视为一种限定。上述尺寸也并不适用在所有应用场合上。

需要说明各种问题以便理解本发明的全部优点和要求，以及推荐实施例是如何发展而来的。

工具28的一个重要的考虑因素是，虽然CBN是摩擦搅动焊接钢材的良好材料，但是，它可能并不适用于其它材料。因此，本发明的一个要素是使它混合和匹配肩部和销子成为可能，如在替代实施例中那样。

另一种需要考虑的因素在于，一些超级研磨材料可溶于某些材料中。例如，PCD在摩擦搅动焊接的温度下可与钛合金发生化学反应。因此，金刚石能用来焊接碳化物构成的材料，除非可达到的最高温度低于可溶点。

在本发明的肩部32和销子34中使用超级研磨材料具有两个显著优点。首先，CBN及金刚石的摩擦系数很低(0.05至0.1)。对比而言，钢的摩擦系数是0.8。这种低的摩擦系数使工件材料可沿工具28滑动而不是粘着于工件材料。因而可得到整洁得多的光洁度而无需大量的精加工。精加工成本可能很高，特别是对于铁基合金和超级合金来说，低的摩擦系数也可减少工具磨损。

第二，CBN及PCD的导热性高，大约为100至550瓦/米-k，而钢则为48瓦/米-k。因此，焊接温度较低。温度较低的焊缝是理想的，因为其远离熔点，因而可避免液态焊接相的所有问题。在试验中已经显示，本发明的一个直接的好处在于，与使用更为传统的弧焊相比较，焊缝具有更高的抗拉强度。当然，CBN的高导热性也是使用热流阻挡层38、40的原因，热流阻挡层用于防止热量从工件的焊接区域散逸。

如上所述，肩部和销子的衬底上涂有超级研磨材料。本发明的另一新颖要素是设有多个涂层。这些涂层可以采用CVD、离子植入或PVD方法施加。涂层的目的是有助于超级研磨材料承受不同类型的磨损。例如，一个第二涂层可提高耐化学蚀损性。

施加在衬底或超级研磨材料顶面上的涂层可以有不同的厚度。虽然在研磨工具工业中，0.030″至0.050″的涂层被认为是厚涂层，小于0.001″的涂层被认为是薄涂层，但是，本发明的一个方面在于，为了实现涂层材料的最佳性能，可以要求其它厚度。固体的CBN也可以被压制使其没有涂层。这种CBN可压制成UHTP压力机所容许的最大体积，通常高达4英寸长，直径为4英寸。但是，这种固定CBN不具备衬底增加强度和韧性的优点。

虽然热管理是推荐实施例的新颖要素，但是由于不同的原因工具的冷却也很重要。热管理用于保证将足够的热量引向焊接区域，不致被吸走。但是对于能够被从肩部和销子散发的热量来说，往往必须提供某种类型的主动冷却。冷却可以采取指向工具外部的雾的形式或甚至是气流的形式。因此，也许需要借助穿过柄部的一部分的冷却通道来形成内部冷却。也可以冷却工具夹。冷却甚至可延伸至工件本身。虽然焊接必需热量，但是，应记住温度较低的焊接固有地强度更高，摩擦搅动焊接就是一种固态工艺。

为了理解性能问题，必须考虑几种替代实施例。本推荐实施例公开的工具具有两个构件：柄部30和带有整体销子34的肩部32。但是，实验显示，销子34通常在肩部以前磨损。如果它们是整体的，整个肩部32和销子34的组合必须一起被更换。这是一种资源的浪费。

因此，图3是一替代实施例的侧剖图，其中肩部50不与销子52连为整体。这些构件是独立加工的，并且连接于柄部48。如图3所示，销子52设置在柄部48一端钻出的孔54内。热流阻挡层38，40仍然设置在位，只是设置在销子52伸入柄部48的部位上。但是，如果销子52只在孔54外的部分上具有超级研磨材料涂层，那么，销子52的烧结碳化钨(或其它适当的)衬底将不是对柄部48的良好导热体。尽管如此，在一个替代实施例中，热阻挡层可向下伸入孔54内。

将销子52连接于柄部48也不是件小事。销子52最好使用压配合设置在孔54内。但是，很可能需要六方或四方形孔。应注意的是，如销子52有残余压缩应力则能够对销子增加强度。

例如，通过加热工具能够形成残余压缩应力。当工具被加热时，工具膨胀。销子的直径选择得当工具冷却时，它在销子上施加正的机械压力。

另一种安装方法是在销子52中设置一螺钉。螺钉用于通过工具的后端将销子拉成受压状态。

图4表示本发明的另一替代实施例。与图3的差别在于，孔62完全穿过柄部60。这个实施例的一个主要优点在于，更换销子64只需将一个工具插入孔62从而将销子推出柄部60。这种设计可降低成本，使工具可用于多种应用场合。因此只需要插入一个适当长度的销子64。

当销子是一个可更换的构件时，销子的成分就不作为本发明的一个方面描述了。销子最好用烧结碳化钨制成，涂上适当的超级研磨材料。但是，销子也可以制成一个实体的超级研磨材料，也可以为具有需要涂层的碳化物。

销子的另一方面在于，它可以被增强。如果由于工件材料的厚度，销子格外长的话，也许需要加强销子。当销子的材料不是固有地具有象碳化钨那样的材料的强度时，加强也可以是必要的。

按照一种类似的方式，柄部也可以用超级研磨材料制成，或是涂有超级研磨材料的碳化物。

图5是本发明的另一替代实施例，其中工具70是一个整体而不是具有分开的构件。但是，将整个工具制成单一构件的成本高得令人难以接受。

即使有其它实施例的优点，这个实施例也不可能广泛地应用。尽管如此，它却是一种选择方案，可以用烧结碳化钨形成，在肩部72和销子74的区域涂覆超级研磨材料。在其使用中的难点也许是热管理，在使用超级研磨材料时，热管理被视为关键所在。因此，插入热阻挡层也许是重要的，但是，这将使整体设计的目的受挫。

本发明的一个替代实施例是插入工具中的销子的类型。图6A是一螺旋端铣刀坯件80的侧面图。坯件80的基质最好为烧结碳化钨，在螺旋槽82内设有PCBN或其它超级研磨材料。图6B是坯件80的端视图，表示放置超级研磨材料的螺旋槽82。

显然还有其它用于将PCBN肩部或有涂层的肩部连接于柄部的装置。图7A是另一工具实施例的剖视图，该实施例具备本发明的所有理想的特征，但是没有使用单独的锁紧环套。在该图中，锁紧环套被柄部本身的一部分取代，使其与柄部本身连为整体。

具体来说，图中柄部90具有一个镗孔92，该镗孔部分地在柄部的工件端部94内设置。镗孔92的深度是根据肩部深度和销子96选择的。在这个实施例中，肩部和销子96是整体的。但是，肩部和销子96也可以是象前述实施例中所示那样的分开的构件。这个实施例的重要之处在于，围绕镗孔92的壁用作锁紧环套，从而有助于防止肩部和销子96相对于柄部90的转动。例如，这可以通过将肩部和销子96压配合在镗孔92中来实现。应注意的是，也设有热流阻挡层100来实现从肩部和销子96向柄部90的热管理。

但是，在一些负载条件下，尽管是压配合，肩部和销子96也可能滑动。因此，这个实施例显然也可包括采用一些其它用于将肩部和销子96的背面102机械锁紧在柄部90上的装置。这可以采用一些前述技术来实现。例如，机械锁紧可以通过在背面102和镗孔92的底面104上的互补的齿形、花键或其它结构特征来实现，以便通过互补的互锁作用来防止相对转动。

图7B和7C用于表示肩部和销子96的背面102是如何锁紧在柄部90的镗孔92的底面104上的两个实例。在所述图中，镗孔的花键在镗孔92的底面104上形成，互补的花键在肩部和销子96的背面102上形成。

本发明的一个重要和新颖的方面也在于工件材料围绕工具的销子的流动。虽然摩擦搅动焊接说起来是一种固相工艺，但是，工件材料仍能够象流体那样运动，即，流动。当试图实现最佳的焊接时，重要的是增加工件材料围绕销子的流动速率。

层流被定义为非紊乱的流体流。不幸的是，工件材料的层流是最慢的，因此，导致工件材料围绕销子流动速率增加的销子的任何几何形状也会导致焊接特性改善的焊缝。因此，需要具有工件材料的紊流。或者过渡流(fransitional flow)，过渡流定义为具有紊流特性的流动。因此，需要找到一个从层流进入过渡流形式或紊流形式的流动的界层。另外，也需要在尽可能低的工具转速下，使用最简单的工具几何形状得到过渡流或紊流。

因此，本发明的一个方面涉及一种销子几何形状，它可导致工件材料的过渡流或紊流。图8是具有结构变形的销子的侧面图，该销子设计成可获得围绕销子的至少一些工件材料的过渡流或紊流。如图所示，销子120上有多个凹窝122，很像高尔夫球上的凹窝。这些凹窝122的数目、大小和深度需要变化，以便获得工件材料的需要的流动特性。

类似地，图9是设计成能够产生围绕销子的过渡流或紊流的销子126和肩部128的端视图。图中销子126只具有在其一侧的一个平面130。显然，平面130的总数和宽度可以调整以取得工件材料的需要的流动特性。另外，作为平面的替代，表面不规则性显然可以不是均匀的平面，并在销子的长度上延伸。例如，图9B表示销子132和肩部134的另一个端视图，其中表面不规则性不是平面的。

图10表示本发明的也涉及取得围绕销子的过渡流或紊流的另一个方面。图10是工具140的侧面图，其中销子142平行于工具的纵轴线144设置，但不再与其同心地设置。销子142是偏置的，从而形成一个凸轮结构，用于产生工件材料中的过渡流和紊流。应注意的是，偏置的程度只是为说明的目的而被夸大。实际的偏置将取决于工具和工件的特性。

按照本发明的原理，显然可以采用许多可用的销子几何形状和工具。例如，具有可调节长度的销子的工具就具有许多优越性。按照本发明，工具必须改进以减小应力梯级，在肩部和销子上涂覆超级研磨材料或用实体的超级研磨材料制造，以及利用热管理技术。

本发明的最后一个方面是将工具压制成接近净形状，接近净形状是指在压制后的工具需要很少的精加工来取得最终成品。在目前推荐的实施例中，销子、肩部、整体的销子和肩部、以及带有加强结构的销子被压制成接近净形状。

显然，上面描述的各种布置只是为了说明本发明原理的应用。本专业技术人员可以构想出许多修改和变化而并不超出本发明的精神和范围。权利要求书意在覆盖这样的修改和变化。

Claims (52)

1.一种能够摩擦搅动焊接金属基体复合材料(MMC_S)、铁基合金、非铁基合金和超级合金的摩擦搅动焊接工具，所述摩擦搅动焊接工具包括：

一个摩擦搅动焊接工具，它具有一个柄部、一个肩部和一个销子，其中所述肩部被机械锁紧在柄部上；从而防止肩部相对于柄部的转动；以及

设置在肩部至少一部分上和销子上的超级研磨材料，其中超级研磨材料具有第一相和第二相，所述超级研磨材料是在超高温度和超高压力工艺下制成的；

所述摩擦搅动焊接工具能够功能性摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金。

2.如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述工具包括由下述复合物构成的材料组中选择的，所述复合物包括化学元素周期表中从IIIA、IVA、VA、VIA、IIB、IVB和VB延伸的元素。

3.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括选择多晶体立方氮化硼(PCBN)或多晶体金刚石(PCD)作为超级研磨材料。

4.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括利用细丝加强超级研磨材料，从而抑制超级研磨材料的剥落。

5.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括选择超级研磨材料，以便取得在摩擦搅动焊接工具的化学蚀损和机械磨损之间的需要的平衡。

6.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括柄部、其中柄部的材料是由烧结碳化钨、钢和超级研磨材料构成的材料组选择的。

7.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括一个用于冷却摩擦搅动焊接工具的内部冷却系统。

8.如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述工具包括至少一种设置在超级研磨材料涂层上的第二材料，从而使第二材料的性质对超级研磨材料涂层起作用。

9.如权利要求2所述的工具，其特征在于：所述工具还包括设置在肩部和柄部之间的第一热流阻挡层，从而调控从肩部至柄部的热运动。

10.如权利要求9所述的工具，其特征在于：所述工具还包括一个锁紧环套，所述锁紧环套发挥将肩部机械锁紧在柄部上的作用，从而防止肩部相对于柄部的转动。

11.如权利要求10所述的工具，其特征在于：所述工具还包括一个第二热流阻挡层，设置在锁紧环套和肩部及柄部的围绕其设置的部分之间，从而调控从肩部和柄部向锁紧环套的热运动。

12.如权利要求11所述的工具，其特征在于：第一热流阻挡层和第二热流阻挡层还包括钛合金。

13.如权利要求12所述的工具，其特征在于：柄部还包括一种材料，该材料选择成具有小于肩部、销子和锁紧环套的导热性。

14.如权利要求13所述的工具，其特征在于：柄部是从由烧结碳化钨.钨合金、钢、钼合金和超级合金构成的材料组中选择的。

15.如权利要求14所述的工具，其特征在于：所述工具还包括提供沿工具的纵轴线设置的至少一个表面特征，其中所述表面特征使锁紧环套更可靠地将肩部和柄部限制在同一个相对位置上。

16.如权利要求15所述的工具，其特征在于：所述工具还包括从由平面、花键、键槽及键、锁紧销子、楔形接合和凹窝构成的表面特征组中选择的至少一个表面特征。

17.如权利要求16所述的工具，其特征在于：所述工具还包括在柄部工作端部和肩部安装端部之间的机械栓锁，所述机械栓锁是从楔形接合、花键和凹窝构成的机械栓锁组中选择的。

18.如权利要求17所述的工具，其特征在于：所述肩部还包括围绕其工作边缘设置的肩部半径，所述肩部半径起到防止超级研磨材料中产生裂缝的作用。

19.如权利要求18所述的工具，其特征在于：用于将肩部机械锁紧在柄部上的装置是从由花键、锁紧销子、楔形接合和凹窝构成的机械锁紧装置组中选择的。

20.如权利要求19所述的工具，其特征在于：所述工具还包括锁紧环套，其中锁紧环套所选择的材料是超级合金。

21.如权利要求20所述的工具，其特征在于：所述工具还包括锁紧环套，其中锁紧环套所选择的材料是从由镍-钴和钴-铬构成的材料组中选择的。

22.一种能够摩擦搅动焊接金属基体复合材料(MMC_S)、铁基合金，非铁基合金和超级合金的摩擦搅动焊接工具，所述摩擦搅动焊接工具是一个整体装置，包括：

一个柄部，该柄部具有一个轴安装端部和一个轴工作端部；

一个在轴工作端部上形成的肩部，所述肩部具有一个肩部工作边缘，其中肩部工作边缘形成为一个半径；

一个在肩部中形成的销子，其中所述销子与从其外伸的肩部的纵轴线同心且平行，其中一个第一销子半径在肩部和销子之间的接合部形成，一个第二销子半径在销子工作边缘形成；

超级研磨材料设置在肩部的至少一个部分和销子上，其中所述摩擦搅动焊接工具能够功能性摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金。

23.一种用于摩擦搅动焊接金属基体复合材料(MMC_S)、铁基合金、非铁基合金和超级合金的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)提供具有一个柄部、一个肩部和一个销子的一个摩擦搅动焊接工具；

(2)将肩部机械锁紧在柄部上，从而防止肩部相对于柄部的转动；以及

(3)在肩部的至少一个部分和销子上设置超级研磨材料，其中超级研磨材料具有一个第一相和第二相，其中超级研磨材料是在超高温和超高压工艺下制成的，所述摩擦搅动焊接工具能够功能性摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于：所述方法还包括从由下述复合物构成的材料组中选择的超级研磨材料，所述复合物包括从化学元素周期表的IIA、IVA、VA、VIA、IIIB、IVB和VB延伸的元素。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法包括选择多晶体立方氮化硼(PCBN)或多晶体金刚石(PCD)作为超级研磨材料的步骤。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过利用细丝加强的超级研磨材料而抑制超级研磨材料的剥落的步骤。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过选择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级研磨材料来实现摩擦搅动焊接的工具的化学蚀损和机械磨损之间的平衡的步骤。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于：所述方法还包括选择柄部的硬质材料的步骤，其中柄部材料是从由烧结碳化钨、钢和超级研磨材料构成的材料组中选择的。

29.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将至少一种第二材料设置在超级研磨材料涂层上，从而使第二材料的性质对超级研磨材料涂层起作用的步骤。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于：所述方法还包括从CVA、离子束植入和PVD构成的施加方法组中选择施加方法，在超级研磨材料涂层上施加至少一种第二材料的步骤。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过在肩部和柄部之间设置一个第一热流阻挡层来调控肩部和柄部之间的热运动的步骤。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过设置一个锁紧环套将肩部机械锁紧在柄部上来防止肩部相对于柄部转动的步骤。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过在锁紧环套和肩部及柄部被其围绕设置的部分之间设置一个第二热流阻挡层来调控从肩部及柄部向锁紧环套的热运动的步骤。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将钛合金作为所述第一热流阻挡层和第二热流阻挡层的步骤。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过选择具有比肩部、销子和锁紧环套导热性小的柄部材料来调控在摩擦搅动焊接内的热运动的步骤。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述方法还包括从由烧结碳化钨、钨合金、钢、钼合金和超级合金构成的材料组选择柄部材料的步骤。

37.如权利要求36所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过围绕肩部的一个工作边缘设置一个肩部半径来抑制肩部上的超级研磨材料中的裂缝扩展的步骤。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：所述方法还包括为锁紧环套选择超级合金，从而防止肩部相对于柄部的转动的步骤。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于：所述方法还包括从镍-钴和钴-铬构成的超级合金中选择锁紧环套的超级合金的步骤。

40.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括减小肩部上和销子上的应力梯级，从而抑制超级研磨材料的裂缝扩散的步骤。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：

(1)将柄部形成为基本圆柱形物体；以及

(2)将肩部设置为盘状物体，其中销子是肩部的整体构成部分，销子基本呈圆柱形，销子与从其延伸的肩部的纵轴线同心且平行。

42.如权利要求41所述的方法，其特征在于：所述方法还包括设置一个锁紧环套，所述锁紧环套将肩部机械锁紧在柄部上，从而防止肩部相对于柄部的转动的步骤。

43.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括利用具有低摩擦系数的超级研磨材料，使摩擦搅动焊接工具抑制在焊接过程中材料粘附在摩擦搅动焊接工具上，从而改善摩擦搅动焊接的步骤。

44.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括调节销子直径与销子长度的比值，从而控制焊接特性的步骤。

45.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：

(1)提供一个具有一轴工作端部和一轴安装端部的柄部，其中柄部镗孔从轴工作端部延伸至轴安装端部，柄部镗孔与纵轴线同心；

(2)提供呈盘状的肩部，其中一个肩部孔与柄部镗孔对准，所述肩部连接于柄部，其中肩部机械锁紧在柄部上，从而防止肩部相对于柄部转动；以及

(3)提供一个销子，该销子穿过肩部孔并至少部分地进入柄部镗孔，其中销子的一部分设置在肩部镗孔外面，销子机械锁紧在柄部上，从而防止销子相对于柄部的转动。

46.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括在摩擦搅动焊接过程中增加材料围绕销子的流动速率，从而改善焊接特性的步骤。

47.如权利要求46所述的方法，其特征在于：所述方法还包括形成围绕销子的过渡流或紊流的步骤。

48.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法还包括利用具有低摩擦系数的超级研磨材料来减小在摩擦搅动焊接工具上的磨损的步骤。

49.如权利要求24所述的方法，其特征在于：所述摩擦搅动焊接金属基体复合材料、铁基合金、非铁基合金和超级合金的方法还包括利用热管理，从而调控摩擦搅动焊接工具的磨损的步骤。

50.如权利要求49所述的方法，其特征在于：所述方法还包括利用超级研磨材料以减小摩擦搅动焊接工具的机械磨损和化学蚀损的步骤。

51.如权利要求51所述的方法，其特征在于：所述方法还包括设置热流阻挡层以调控在摩擦搅动焊接工具内热运动的步骤。

52.如权利要求51所述的方法，其特征在于：所述方法还包括控制摩擦搅动焊接工具的几何形状以便能够利用超级研磨材料的步骤。

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