[發明專利]摩擦點焊和摩擦縫焊

在審

• 申請號: 201480011230.6
• 申請日: 2014-01-21
• 公開（公告）號: CN105209209A
• 公開（公告）日: 2015-12-30
• 發明（設計）人: P·R·卡勒瓦拉;J·阿克拉姆;A·I·齊賓德;A·L·朱洛維茨基;M·米斯拉;B·薩爾瑪
• 申請（專利權）人: 猶他大學研究基金會
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K31/02;B32B15/00
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司 11285
• 代理人: 潘飛;楊勇

相關申請的交叉引用

本申請要求2013年1月22日提交的美國臨時專利申請No.61/849,224、2013年4月30日提交的美國臨時專利申請No.61/817,510和2013年6月26日提交的美國臨時專利申請No.61/839,562的申請日的權益。以上引用的臨時專利申請中的每一個據此以其全文以引用的方式并入本文。

領域

本發明涉及用于將第一材料層點焊到至少一個附加材料層的系統和方法，并且涉及用于將第一材料層搭接縫焊到至少一個附加材料層的系統和方法。

背景

點焊方法

用于在兩種或更多種材料之間獲得搭接接縫的當前已知的方法包括攪拌摩擦點焊、電阻點焊、激光點焊、各種電弧焊接工藝、超聲波焊接和鉚接。

圖1A-1D描繪了攪拌摩擦點焊(FSSW)(攪拌摩擦焊接(FSW)的分支)的過程。如圖所示，典型的FSSW順序包括(A)突進、(B)旋轉和(C)縮回。在圖1D中示出通過FSSW方法產生的典型的攪拌摩擦點焊的橫截面圖像。如圖所描繪，FSSW焊接通過不可避免地保留在焊接熔核中心的孔(在銷被抽出時留下)來表征。已經發現，該孔由于腐蝕和其它問題而限制焊接組件的壽命。FSSW的“再填充模式”變體使用了由銷、肩部和外夾組成的工具以使得能夠捕獲在突進順序期間擠出的閃光材料。隨后使所捕獲的閃光材料沉積回出口孔中以形成與頂表面齊平的焊縫。雖然“再填充模式”消除了出口孔，但使用“再填充模式”產生的焊接表現出與常規FSSW焊接相比較差的抗疲勞性能。目前，僅將FSSW工藝應用于具有低熔融溫度的材料諸如鋁鎂合金。用于焊接較硬的材料諸如鋼、不銹鋼、鎳基合金等的FSSW工藝的使用由于工具材料的高成本而受限。

雖然電阻點焊不受與FSSW方法相關的孔形成問題的影響，但常規的電阻點焊既表現出物理缺陷(例如，孔隙和裂縫)，又表現出冶金缺陷(例如，顯微偏析和相位變換)。具有高的碳當量的鋼典型地需要進行附加的焊后退火處理。不同金屬點焊的一些組合可能破裂。另外，需要更多的能量來完成對表現出高導電性的金屬(諸如銅和鋁合金)的電阻點焊。

常規的激光點焊技術導致在形成于材料之間的接縫中尤其是在鋁合金中產生孔隙，并且高強度材料(例如，鋼)由于快速冷卻將會破裂。另外，常規激光設備成本較高。電弧焊接工藝諸如氣體保護鎢極電弧點焊、氣體金屬電弧點焊、微束等離子電弧點焊等既表現出物理缺陷(例如，孔隙和裂縫)又表現出冶金缺陷(例如，顯微偏析和相位變換)。超聲波點焊典型地限于厚度小于1mm的薄片材料。常規的鉚接方法產生機械結合而不是冶金結合。通過所述鉚接方法產生的接縫與通過其它常規方法產生的接縫相比較重并且具有相對較差的性能。

縫焊方法

通常，將其中工件充分重疊以防止薄片邊緣成為焊縫的一部分的接縫分類為搭接縫焊縫。可以將常規的搭接縫焊工藝分類為基于熔化的(包括電阻縫焊、激光束焊接、電子束焊接、等離子弧焊接、硬釬焊和軟釬焊)和基于固態的(包括超聲波焊接和軋制結合)。通過常規的基于熔化的方法所產生的搭接縫焊縫通常存在各種各樣的問題，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金變化和高的殘余應力。破裂、熔融金屬的排出和不清潔的工件表面都能引起有缺陷的電阻縫焊縫。超聲波縫焊的局限性包括不能焊接大而厚的基底金屬以及基底金屬結合到鐵砧或超聲焊極的趨勢。軋制結合(冷軋結合和熱軋結合)涉及熱處理。金屬諸如鈦和合金由于它們的反應性和窄的工作溫度范圍而難以軋制結合。

通常，包覆是指填充金屬沉積在基體金屬上以賦予耐腐蝕特性、耐磨損特性或基體金屬所不具有的一些所需特性。可以將常規包覆工藝分類為基于熔化的(包括電弧焊接工藝、軟釬焊、電子束焊接和激光束焊接)和固態焊接工藝(包括爆炸包覆、摩擦堆焊和軋制結合)。通過常規的基于熔化的方法所產生的包層金屬通常存在各種各樣的問題，包括破裂、高孔隙度、有害的冶金變化和高的殘余應力。在所述基于熔化的包層金屬中可能存在高的稀釋比例(基底金屬在包層金屬中的量)。在沉積電弧包覆工藝(諸如工業中廣泛使用的埋弧)中，稀釋比例典型地非常高。爆炸包覆典型地限于具有最小韌性的金屬。摩擦堆焊由于其不能以較少的時間產生較大的包層面積而受限。軋制包覆(冷軋包覆和熱軋包覆)涉及熱處理。金屬諸如鈦和合金由于它們的反應性和窄的工作溫度范圍而難以軋制包覆。