摩擦点焊和摩擦缝焊制造技术

本文公开了用于使用棒材将上部材料层点焊和缝焊到下部材料层的系统和方法。所述棒材可以是非消耗性棒材，也可以是消耗性棒材。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】摩擦点焊和摩擦缝焊 相关申请的交叉引用 本申请要求2013年1月22日提交的美国临时专利申请No. 61/849, 224、2013年4 月30日提交的美国临时专利申请No. 61/817, 510和2013年6月26日提交的美国临时专 利申请No. 61/839, 562的申请日的权益。W上引用的临时专利申请中的每一个据此W其全 文W引用的方式并入本文。 领域 本专利技术设及用于将第一材料层点焊到至少一个附加材料层的系统和方法，并且设 及用于将第一材料层搭接缝焊到至少一个附加材料层的系统和方法。[000引背景 点辉方法 用于在两种或更多种材料之间获得搭接接缝的当前已知的方法包括揽拌摩擦点 焊、电阻点焊、激光点焊、各种电弧焊接工艺、超声波焊接和馴接。[000引图1A-1D描绘了揽拌摩擦点焊（FSSW)(揽拌摩擦焊接（FSW)的分支）的过程。如 图所示，典型的FSSW顺序包括（A)突进、做旋转和似缩回。在图ID中示出通过FSSW方 法产生的典型的揽拌摩擦点焊的横截面图像。如图所描绘，FSSW焊接通过不可避免地保留 在焊接烙核中屯、的孔（在销被抽出时留下）来表征。已经发现，该孔由于腐蚀和其它问题 而限制焊接组件的寿命。FSSW的"再填充模式"变体使用了由销、肩部和外夹组成的工具W 使得能够捕获在突进顺序期间挤出的闪光材料。随后使所捕获的闪光材料沉积回出口孔中 W形成与顶表面齐平的焊缝。虽然"再填充模式"消除了出口孔，但使用"再填充模式"产生 的焊接表现出与常规FSSW焊接相比较差的抗疲劳性能。目前，仅将FSSW工艺应用于具有 低烙融溫度的材料诸如侣儀合金。用于焊接较硬的材料诸如钢、不诱钢、儀基合金等的FSSW 工艺的使用由于工具材料的高成本而受限。 虽然电阻点焊不受与FSSW方法相关的孔形成问题的影响，但常规的电阻点焊既 表现出物理缺陷（例如，孔隙和裂缝），又表现出冶金缺陷（例如，显微偏析和相位变换）。 具有高的碳当量的钢典型地需要进行附加的焊后退火处理。不同金属点焊的一些组合可能 破裂。另外，需要更多的能量来完成对表现出高导电性的金属（诸如铜和侣合金）的电阻 点焊。 常规的激光点焊技术导致在形成于材料之间的接缝中尤其是在侣合金中产生孔 隙，并且高强度材料（例如，钢）由于快速冷却将会破裂。另外，常规激光设备成本较高。电 弧焊接工艺诸如气体保护鹤极电弧点焊、气体金属电弧点焊、微束等离子电弧点焊等既表 现出物理缺陷（例如，孔隙和裂缝）又表现出冶金缺陷（例如，显微偏析和相位变换）。超 声波点焊典型地限于厚度小于Imm的薄片材料。常规的馴接方法产生机械结合而不是冶金 结合。通过所述馴接方法产生的接缝与通过其它常规方法产生的接缝相比较重并且具有相 对较差的性能。 缝辉方法 通常，将其中工件充分重叠W防止薄片边缘成为焊缝的一部分的接缝分类为搭接 缝焊缝。可W将常规的搭接缝焊工艺分类为基于烙化的（包括电阻缝焊、激光束焊接、电子 束焊接、等离子弧焊接、硬针焊和软针焊）和基于固态的（包括超声波焊接和社制结合）。 通过常规的基于烙化的方法所产生的搭接缝焊缝通常存在各种各样的问题，包括破裂、高 孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。破裂、烙融金属的排出和不清洁的工件表面都能 引起有缺陷的电阻缝焊缝。超声波缝焊的局限性包括不能焊接大而厚的基底金属W及基底 金属结合到铁化或超声焊极的趋势。社制结合（冷社结合和热社结合）设及热处理。金属 诸如铁和合金由于它们的反应性和窄的工作溫度范围而难W社制结合。 通常，包覆是指填充金属沉积在基体金属上W赋予耐腐蚀特性、耐磨损特性或基 体金属所不具有的一些所需特性。可W将常规包覆工艺分类为基于烙化的（包括电弧焊接 工艺、软针焊、电子束焊接和激光束焊接）和固态焊接工艺（包括爆炸包覆、摩擦堆焊和社 制结合）。通过常规的基于烙化的方法所产生的包层金属通常存在各种各样的问题，包括 破裂、高孔隙度、有害的冶金变化和高的残余应力。在所述基于烙化的包层金属中可能存在 高的稀释比例（基底金属在包层金属中的量）。在沉积电弧包覆工艺（诸如工业中广泛使 用的埋弧）中，稀释比例典型地非常高。爆炸包覆典型地限于具有最小初性的金属。摩擦 堆焊由于其不能W较少的时间产生较大的包层面积而受限。社制包覆（冷社包覆和热社包 覆）设及热处理。金属诸如铁和合金由于它们的反应性和窄的工作溫度范围而难W社制包 覆。 常规地，使用加性制造方法W及加性和选择性减性制造方法来制造分层的多材料 结构组件。=维（3D)组件的逐层制造可由对象的计算机辅助设计（CAD)模式直接制造而 成。激光工程化净成形、直接金属沉积、选择性激光烙融和电子束烙融被包括在视为加性制 造方法的多种工艺之内，通过运些加性制造方法通过烙融和固化实现材料添加。由于运些 工艺中所设及的烙融和固化，通过运些技术制造的零件受到W下限制（参看图2A-2G) :1) 未烙融区，运些未烙融区导致粉末颗粒之间缺乏结合；2)孔隙度；3)固化破裂敏感性；4) 铸态显微组织和显微偏析，运导致组成上的不均匀性；5)显著的拉伸残余应力聚集；6)大 组件较长的生产时间（构造速率通常小于1克/分钟）；W及7)刚性问题。很多不同的金 属组合并不能通过运些工艺沉积，因为所产生的沉积层破裂。 已使用固态加性制造方法（其中不存在液体到固体变换）解决基于液体到固体的 加性制造方法的很多缺点。超声波固化扣C)是将要商业化的第一固态加性和选择性减性 制造方法，并且被示出为克服基于烙化的方法的一些局限性。与基于烙化的加性制造方法 相比，UC是用于构建近净形零件的典型的加性和选择性减性制造方法，随后使用集成的3 轴CNC锐床来将该近净形零件机械加工成其成品尺寸。然而，UC受到其自身主要局限性的 影响，包括如图2A-2G所示锥间缺陷的形成。此外，在UC工艺中，如果基体刚性不够，那么 在正沉积的锥与基体之间无法形成摩擦。另外，通过采用受热基板在300 了下进行常规的 UC工艺。该工艺的主要局限性在于其可被应用于几微米厚的金属层。因此，需要花费显著 较长的时间来构造3D组件。常规的UC工艺应用于较高强度的合金诸如铁由于所产生的不 一致的结合质量和较差的通孔性能而非常受限。由于很难转移界面上的工艺参数，因此UC 工艺需要附加的时间来固化较厚的薄片。因此，常规的基于烙化的和固态的加性制造方法 W及加性和选择性减性制造方法受到物理限制、冶金限制和机械限制。 因此，在相关领域中，需要用于在各种硬质材料与软质材料之间形成牢固的搭接 接缝同时避免了常规点焊方法的物理缺陷和冶金缺陷的系统和方法。在相关领域中，进一 步需要用于在各种硬质材料与软质材料之间形成牢固的搭接缝焊缝同时避免了常规缝焊 方法的物理缺陷和冶金缺陷的系统和方法。在相关领域中，进一步需要在包覆和加性制造 应用中应用运些搭接缝焊。 概述 在一个方面，本文描述了将上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的方法。 可W使上部材料层与下部材料层的至少一部分W覆盖关系定位。上部材料层和下部材料层 可W具有相应的顶表面和底表面。该方法可W包括使棒材相对于焊接轴轴向地前进和旋 转，W使得棒材的远端接触上部材料层的顶表面。该方法还可W包括向旋转棒材施加轴向 力W使得棒材的远本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使上部材料层相对于焊接轴点焊到下部材料层的方法，所述上部材料层与所述下部材料层的至少一部分以覆盖关系定位，所述上部和下部材料层具有相应的顶表面和底表面，所述方法包括：使棒材相对于所述焊接轴轴向地前进和旋转，以使得所述棒材的远端接触所述上部材料层的所述顶表面；向所述旋转棒材施加轴向力以使得所述棒材的所述远端与所述上部材料层之间的摩擦热使所述上部材料层的一部分增塑；在所述上部材料层的一部分增塑的情况下，向所述旋转棒材施加所述轴向力以使得所述上部材料层的所述底表面的一部分和所述下部材料层的所述顶表面的一部分变形，由此在所述上部材料层与所述下部材料层之间形成冶金结合；以及使所述棒材相对于所述焊接轴轴向地缩回，以使得所述棒材的所述远端脱离与所述上部材料层的所述顶表面的接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·R·卡勒瓦拉，J·阿克拉姆，A·I·齐宾德，A·L·朱洛维茨基，M·米斯拉，B·萨尔玛，
申请(专利权)人：犹他大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US