[發明專利]攪拌摩擦焊接工具

有效

• 申請號: 201680060571.1
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN108290244B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 克里斯蒂安·吉爾-邁爾;H·丹寧格;托馬斯·溫因貝格;甘特·菲格內爾
• 申請（專利權）人: 維也納科技大學;斯德泰克有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 蔡利芳;鄭霞

本發明涉及一種攪拌摩擦焊接工具，包括：旋轉對稱的柄，該柄具有預期用于接觸接合部分的近端、和遠端；以及銷，所述銷圍繞旋轉軸線居中布置，且該銷在柄的近端具有比柄更小的直徑，并因此相對于柄的由此界定的肩部區域突出，其中至少肩部區域中的柄以及銷分別由耐高溫的金屬或由其合金構成，其特征在于，該銷和/或肩部區域中的柄由復合材料構成或者被復合材料包覆，該復合材料基本上由鉬、鎢、鈮或鉭構成，或者由基于至少一種所述金屬的合金構成；并且包括嵌入其中且由具有莫氏硬度＞6、微米范圍的顆粒大小和1300K時低于?350kJ/mol O₂的自由生成焓的至少一種硬質材料構成的加固相。

本發明涉及一種由耐高溫金屬或合金構成的攪拌摩擦焊接工具及其制造方法。

現有技術

攪拌摩擦焊接是大約二十年來就已知的焊接方法，其中工具由旋轉對稱的通常為圓柱形的柄構成，該柄在端部處從柄的肩部區域開始具有突出的具有更小直徑的銷，通過銷一側的端部將工具安裝在待連接的工件旁并使之轉動。通過銷和相鄰肩部區域的轉動和由此產生的摩擦熱來加熱待連接工件的材料并使之變軟。只要待連接工件的材料足夠軟時，銷就會提供連接區域內待連接工件材料的緊密地混合。然后，當工件在銷的嚙合區域的范圍內冷卻時，就會產生比常規焊接方法更好的焊接位置，該焊接位置特別能夠不含細孔和/或不希望的結構形態。

該方法避開了熔焊法的許多缺陷，因為它是固相過程并因此避免了已知的問題，如在焊縫中形成粗粒、熔化物在凝固時的收縮效應和熱影響區域中不利的結構。

雖然還是新的技術發展，但攪拌摩擦焊接已經應用于眾多領域中，尤其用于焊接低熔解材料構成的工件，例如鋁合金。對于輕金屬，尤其是金屬片而言，將該方法也引入到已知對質量和可靠性均提出較高要求的航天航空工程中。

近來還嘗試在焊接高熔解材料，例如焊接鋼時實現通過攪拌摩擦焊接所得到的優點。但至今存在的問題是，所使用的攪拌摩擦焊接工具在高焊接溫度時經常變形或快速磨損。此外，在焊接過程中還會出現銷或針從柄上脫落或折斷，或者柄自身折斷。

目前并不能由商業上經濟實惠的材料來滿足工具特別是在旋轉彎曲負荷下所要求的較高熱硬度、熱強度和剛性的組合以及熱耐磨性，所以工具的耐用時間和耐用路徑是令人無法接受的短。與用于焊接鋁的工具不同的是，該工具通常僅有幾米的耐用路徑。

在鋁的攪拌摩擦焊接中所應用的熱作模具鋼在攪拌摩擦焊接鐵質材料和鋼材時出現的特別高溫度下是不適用的。由于鈷粘結劑的軟化，碳化鎢-鈷-硬質合金也不適用。鎢-錸-合金顯示出令人關注的潛力；但由于錸的價格非常貴而造成這一方案在商業上是不可行的。其他難熔金屬如鉬雖然展現出所要求的熱強度，卻具有較高的磨損，這對過程的安全性產生負面影響。可是難熔金屬相比于陶瓷或硬質金屬基本上具有如下優點，即輪廓在相應的磨損后還能夠再次加工，并且工具因此能夠多次重復使用。

除了典型的失效機制如摩擦損耗(abrasiver Verschleiβ)或疲勞斷裂外，工具和待連接工件之間的化學相互作用是重要因素，然而這在文獻中幾乎沒有被注意到。參與組分的高相對速度，與高溫和施加的壓力相組合導致摩擦化學反應，主要是能損壞工具和工件的參與物之間的化學相互作用。

可以通過在惰性氣氛下進行FSW方法來避免最常見的摩擦化學反應，即由于參與組分與周圍空氣中的氧氣反應引起的摩擦氧化。但卻不能阻止工具和工件的組分間的相互擴散或彼此間的反應。這就會導致工件材料附接和焊接在工具上。在另外的工序過程中破壞所述附接時，工具材料也一起被破壞，并且工具表面因此進一步遭到損害。這種效果例如在使用超過一定使用壽命的由熱作模具鋼制成的工具來攪拌摩擦焊接鋁時就已出現并導致工具的快速損壞。