搅拌摩擦焊工具组件

技术领域

本公开涉及一种搅拌摩擦焊(FSW)工具组件，包括工具插入件和工具保持器。具体地，本公开涉及一种用于高温铁合金和其他高温合金的搅拌摩擦焊的FSW工具组件。更具体地，本公开涉及一种FSW工具组件，其中工具插入件包含多晶立方氮化硼(PCBN)或钨铼(W-Re)。

背景技术

FSW是一种技术，通过这种技术，旋转工具与两个要连接的邻接的工件强制接触，工具的旋转产生工件的摩擦加热和粘性加热。沿着塑性区域混合时发生大范围变形。在塑性区域冷却时，工件沿着焊接接头连接。由于工件保持在固相中，因此这一处理在技术上是锻造处理，而不是焊接处理，但根据惯例，它被称为焊接或搅拌摩擦焊，本文也遵循这一惯例。

在低温金属FSW的情况下，整个工具/工具保持器能够是单件成形工具钢，在这种情况下，它通常被称为“探头”。在工具用于焊接高温合金(如钢)的情况下，工具通常由两个或多个部分组成，其中端部元件与被焊接的材料直接接触，通常称为“圆盘”或“工具插入件”，而工具的其余部分称为“工具保持器”，工具保持器牢固地保持圆盘并装配到FSW机器中，使得工具圆盘和工具保持器一起构成“工具”或“工具组件”。工具圆盘通常被成形来形成肩部和搅拌销，通常在搅拌销表面上切割出反向螺旋，从而在旋转过程中，该反向螺旋将金属拉向搅拌销，并将金属向下推入由搅拌销形成的孔中。

一般来说，FSW操作包括许多步骤，例如：

a)插入步骤(也称为刺进步骤)，从工具与工件接触的时刻到销完全嵌入加热和软化的工件中的肩部的时刻，

b)工具横向移动，此时工具沿着待连接的工件之间的线侧向移动，以及

c)抽出步骤，此时工具从工件中被提起或横向移动。

工具横向移动是主要形成焊缝的阶段，通常在恒定条件下进行；通常，这些条件是旋转速度、刺进条件、横向移动速度等。

基于PCBN制造的工具能够承受FSW恶劣的工作环境，那里的温度超过1100℃。由PCBN制造的工具圆盘相对来说成本低廉且非常耐用。然而，PCBN圆盘制造处理的限制是需要一个大块的PCBN件，圆盘就是由该大块的PCBN件制成的。整块的PCBN块需要高达50mm的直径和50mm的高度，以生产具有12mm销高度的圆盘，其将能够焊接12mm厚度的板。由于PCBN烧结处理过程中使用的高压高温(HPHT)压机的限制，比这更大的整块的PCBN块(以及因此的PCBN圆盘)目前是不可行的。更大的压机可能会损害材料的均匀性。简而言之，目前在实践中可实现的PCBN圆盘的尺寸限于能够焊接厚度为12mm或以下的板。

确实有动力去开发能够焊接厚度超过12mm的铁板的PCBN工具和配套工具保持器。

大型PCBN工具面临的主要挑战是将工具保持在工具保持器内，尤其是在插入阶段和横向移动阶段。偶尔会发生分离，这被认为是由PCBN工具插入件和典型的钢制工具保持器之间的导热系数不匹配引起的。由于FSW处理的极端条件，传统的方法(如螺钉)将不起作用。这个问题妨碍了PCBN工具插入件的性能，限制了否则可能获得的焊接长度。

需要一种用于焊接高温合金的FSW工具组件，其在长时间使用期间将工具插入件保持在工具保持器内。

发明内容

根据本发明，提供了一种具有纵向旋转轴线的搅拌摩擦焊(FSW)工具组件，该工具组件在使用过程中围绕该纵向旋转轴线旋转，该工具组件包括工具插入件和同轴地保持该工具插入件的工具保持器，该工具保持器包括工具插入件至少部分地接纳在其中的凹入的杯状部，该工具组件还包括将工具插入件和工具保持器结合在一起的结合层，其中结合层是设置在凹入的杯状部中的熔化温度至少为900℃的钎焊层。

从属权利要求中提供了本发明的优选和/或可选特征。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例的方式更具体地描述本发明，其中：

图1是处于组装状态的工具组件的第一实施例的透视图；

图2是图1的工具组件的侧视图；

图3是图1的工具组件的平面视图；

图4是图3的工具组件沿线S-S的横剖视图；

图5是图1的工具保持器的透视图；

图6是带有锁环的图5的工具保持器的透视图，为了清楚起见，省略了工具插入件；

图7是图6的锁环的一部分的透视图；

图8是图6的工具保持器和锁环部分的平面视图；

图9是图8的工具保持器沿着线Z1-Z1的横剖视图；

图10是图1的工具插入件的透视图；

图11是图10的工具插入件的仰视透视图；

图12是图10的工具插入件的侧视图；

图13是图10的工具插入件的平面视图；

图14是图13的工具插入件沿着线W1-W1的横剖视图；

图15是同样处于组装状态的工具组件的第二实施例的透视图；

图16是图15的工具组件的侧视图；

图17是图15的工具组件的平面视图；

图18是图17的工具组件沿着线Z-Z的横剖视图；

图19是图17的工具组件沿着线Y-Y的横剖视图；

图20是图15的工具保持器的透视图；

图21是图15的工具保持器的平面视图；

图22是图21的工具保持器沿着线T-T的横剖视图；

图23是图15的工具插入件的透视图；

图24是图23的工具插入件的侧视图；

图25是图23的工具插入件的平面视图；

图26是图25的工具插入件沿着线V-V的横剖视图；

图27是另一实施例中的工具插入件的透视图；

图28是图27的工具插入件的仰视透视图；

图29是图27的工具插入件的平面视图；

图30是图29的工具插入件沿着线Y1-Y1的横剖视图；

图31是本发明的实施例中的工具组件的横剖视图，特别示出了工具插入件和工具保持器之间的钎焊层；

图32是从现有技术设计的有限元分析中获得的图像，为了与图33进行比较的目的，显示了在工具插入件和工具组件内产生的最大主应力；

图33是取自钎焊设计的有限元分析的图像，为了与图32进行比较的目的，显示了在工具插入件和工具组件内产生的最大主应力；和

图34是本发明另一实施例中的工具组件的横剖视图，特别示出了邻接钎焊区域的冷却系统。

在所有实施例中，类似的部件用相同的附图标记表示，并且为了简洁省略进一步描述。

具体实施方式

首先参考图1至图4，根据本发明的工具组件的实施例总体上以10表示。该工具组件包括多晶立方氮化硼(PCBN)工具插入件12和用于保持PCBN工具插入件12的工具保持器14。工具组件10具有纵向旋转轴线(未示出)，工具组件在用于搅拌摩擦焊处理过程中围绕该轴线旋转。注意，由于加工到工具插入件12中的不对称螺纹图案，该旋转轴线不是旋转对称轴线。工具插入件12和工具保持器14围绕旋转轴线同轴对齐。

工具组件10还包括保留机构，以将工具插入件10和工具保持器12机械地锁定在一起，从而防止FSW过程中的分离。这种主动锁定作用不同于并且大大优于现有技术中已知的被动收缩装配方法。它也不同于有时围绕工具保持器安装的螺纹螺帽装置。在该实施例中，保留机构包括锁环16，下面将详细描述。

工具插入件

转到图10至图14，工具插入件12包括搅拌销18、肩部20和主体部分22，它们都彼此轴向对齐，肩部20基本上是搅拌销18和主体部分22之间的交界。搅拌销18、肩部20和主体部分22都彼此集成形成，使得工具插入件12是一体的。工具插入件12是在单个PCBN块在HPHT压机中烧结后加工出来的。

搅拌销18具有圆锥形轮廓，从圆形顶部24向肩部20向外呈锥形。搅拌销18包括从顶部24向下朝着肩部20延伸并延伸到肩部上的内接螺旋特征26。螺旋26具有平面路径，该平面路径轴向朝向，而工作表面径向朝向。

肩部20是盘状的，并且具有比搅拌销18的圆形基座更大的直径。肩部20轴向向下延伸以与主体部分22相接。

主体部分22是大致圆柱形的。

有利的是，周向延伸的锁定凹槽28被设置在主体部分22的上部区域中，靠近肩部20，以与锁环16机械接合，作为保留机构的一部分。锁定凹槽28围绕主体部分22的整个圆周延伸。然而，这不是必须的，并且可选地，锁定凹槽28可以仅部分地围绕主体部分22的圆周延伸，锁环16相应地构型。

在替代实施例中，工具插入件12上的周向延伸的凹槽28被周向延伸的凸缘(未示出)代替。凸缘可以部分地围绕工具插入件12延伸，或者它可以围绕整个工具插入件12延伸。在这样的实施例中，凸缘与锁环16上的一个或多个周向延伸的凹槽(未示出)配合。

如图11所示，两个瓣状槽30切入主体部分22的下端部。瓣状槽30彼此径向相对。当工具插入件12就位并由工具保持器14支撑时，形成防旋转机构的一部分的瓣状槽30与工具保持器14内的两个瓣状台阶32(见图5)配合。防旋转机构防止工具插入件12和工具保持器14之间围绕旋转轴线的相对旋转运动。稍后将更详细地描述防旋转机构的替代示例。

在使用中，工具组件10的旋转使得螺旋26驱动工件材料从肩部20的边缘流向中心，然后沿着搅拌销18的长度向下流动。这迫使工件材料在搅拌区域内循环，并且当工具插入件12以已知方式横向移动时，填充由搅拌销18形成的空隙。

工具保持器

参考图4、图5、图6和图9，工具保持器14包括用于接纳工具插入件的保持构件34，以及在其一端部连接到保持构件34的细长的主干构件36。

主干构件36是实心的圆柱形。主干构件36的目的是便于将工具组件10连接到FSW机器上。

保持构件34在外部是圆柱形的，并且在内部包括凹入的杯状部38，以接纳工具插入件12。凹入的杯状部38围绕旋转轴线位于中心。凹入的杯状部38包括下基座表面40、上开口42(工具插入件12通过该上开口插入)以及将基座表面40连接到开口42的侧壁44。

在该实施例中，侧壁44是大致圆柱形的，并且在其长度上具有恒定的圆形横截面，旨在与至少部分为圆柱形的工具插入件一起使用。

在一个替代实施例中，侧壁44是大致截头圆锥形的，并且具有圆形的横截面，该横截面的直径随着远离基座表面40而增加。凹入的杯状部38的这种轮廓旨在与至少部分为圆锥形的工具插入件一起使用。

凹入的杯状部38的尺寸和形状仅容纳主体部分22的一部分，使得当在一起时，工具插入件12以肩部20暴露出来的方式从工具保持器14中突出。

不管凹入的杯状部38的内部轮廓是圆锥形还是圆柱形，两个瓣状台阶32被构建到侧壁44中。因此，如图22所示，侧壁44的纵向截面呈阶梯状。瓣状台阶32形成了前文介绍的防旋转机构的一部分。当工具插入件12在凹入的杯状部38内就位时，瓣状台阶32抵靠工具插入件12的瓣状槽30，防止工具插入件12相对于工具保持器14旋转。重要的是避免旋转，因为这是工具插入件12可能逐渐变松并从工具保持器14上脱离的一种方式。

保留机构

如上所述，保留机构包括锁环16(图7)和工具插入件12上的周向延伸的凹槽28。可选地，保留机构还包括位于锁环16下方的高温密封件。

如图1和图6所示，锁环16包括两个弓形环部16a、16b，尽管也可以使用更多的弓形环部。优选地，弓形环部16a、弓形环部16b的长度尺寸相等。本质上，弓形环部16a、弓形环部16b适于牢固地端对端连接在一起以形成单个环。将锁环16设置成弓形环部16a、弓形环部16b使得能够围绕工具插入件12和/或工具保持器14紧密但没有压缩地装配。

锁环16是具有L形的横截面的环形。当工具插入件12由工具保持器14原位支撑时，锁环16围绕工具保持器的开口42靠着其边沿延伸。锁环16也抵靠保持构件34的外表面46安装。锁环16以匹配接合的方式延伸到工具插入件12上的周向延伸的凹槽28中。当牢固地连接在一起时，弓形环部16a、弓形环部16b将工具插入件12保持在牢固地保持在工具保持器14中的适当位置，以阻止工具插入件12从工具保持器14脱离。

参考图15至图26，工具组件的替代实施例总体用100表示。工具组件100包括工具插入件112的另一实施例和工具保持器114的另一实施例。在该实施例中，保留机构包括锁定销48，该锁定销与工具插入件112和/或工具保持器114中的锁定孔50联接。在优选实施例中，保留机构包括两个或多个锁定销48。两个锁定销48彼此径向相对。优选地，锁定销48由软钢制成，以最小化应力。在一个实施例中，锁定孔50包括径向延伸的通孔52和径向延伸的盲孔54，通孔布置成穿过工具保持器114，盲孔布置在工具插入件112中，盲孔与工具保持器114的通孔52对齐。

图27至图30示出了在以212表示的工具插入件的另一实施例中的防旋转机构的替代示例。防旋转构件包括工具保持器下侧上的方形凸台和工具插入件112上的相应形状的凹部56。作为另一示例，方形凸台可以位于工具插入件上，而方形凹部可以位于工具保持器114的基座表面40上。

工具保持器材料

作为对上述机械解决方案的补充，保留机构的另一个方面是工具保持器材料。保持构件34和主干构件36优选地彼此集成形成，使得工具保持器14成为单个部件。然而，它们可以被制造成两个单独的部件，包括两种不同的材料或由两种不同的材料组成，然后连接在一起。

工具保持器12包含高温高强度合金。例如，工具保持器12可以包含以下材料中的任何一种或多种：

用包含

在一些材料中，不是沉淀硬化，而是触发替代或附加硬化机制，例如应变硬化和/或相变。这些都是在FSW处理期间、在高温下以及当工具保持器处于负载下时有意发生的。硬化机制的效果被利用，以便将工具插入件保持在工具保持器内。

钎焊和材料

在另一实施例中，工具组件300还包括位于工具插入件12和工具保持器14中间的钎焊层302——见图31。钎焊层302化学结合到工具插入件12和工具保持器14上，从而在它们之间形成牢固的连接。钎焊302为工具提供足够的强度，使工具在刺进过程中不会掉落。随后由于摩擦产生的热量使工具保持器14变形，并且工具插入件12经由上述硬化机制嵌入工具保持器14中。

优选地，钎焊层302包含钯基合金，例如从Johnson Matthey

适用于该应用的替代钎焊材料包括：Johnson Matthey

在组装过程中，钎焊是在高温和高真空下进行的，压力为>10

发明人意外地发现，钎焊是焊接厚度大于12mm的钢板的可行技术。迄今为止，焊接更厚的板的限制因素是搅拌销18的长度，因此也是PCBN工具插入件12的整体尺寸。在工具插入件的现有技术设计中，制造较大的PCBN块(也称为“圆柱体”)以适应具有较大销高度的工具插入件是极具挑战性的，这是由于对HPHT压机模孔长度的限制，以及较高的HPHT容器导致的不均匀压力分布。增加搅拌销18的高度，而不依靠压制更长的圆柱体，在制造中具有显著的优势。

如果使用填充金属将工具插入件附接到工具保持器上，工具插入件的总高度能够被显著缩短，因为不再需要将工具插入件收缩装配到位所需的大的表面积。有利的是，这还意味着可以省略通常使用的围绕工具保持器安装的螺纹螺帽，从而带来成本效益。

与现有设计(图32)相比，使用较短的工具插入件12，通常导致失效的工具插入件中的峰值应力也显著降低。有限元分析模型表明，尽管钎焊设计中的平均应力较高，但钎焊设计中的峰值应力比现有设计低50％左右(见图33)。

可以设想，代替使用钎焊来结合工具插入件和工具保持器，可以使用高温胶水和其它类似的粘合剂。同样，机械结合也是可行的。

冷却系统

如图34所示，工具组件300可以包括冷却系统304。该冷却系统304保护钎焊接头。可选地，冷却系统304包括输送冷却剂(例如水)的导管网络。可选地，冷却系统304可以包括例如以蛇形图案布置的单个导管。优选地，冷却系统304适于将钎焊区域中的温度保持在低于150℃的温度。

理想地，导管布置在工具保持器14的基座表面40中或靠近该基座表面。冷却系统304的覆盖范围也可以向上延伸到凹入的杯状部38的侧壁44。可选地，冷却系统304可以布置在侧壁44中或该侧壁后面，而不是基座表面40，尽管这种布置效率较低。

以这种方式，冷却系统304能够带走在FSW期间产生的热量，该热量在搅拌销18和肩部20处产生，并且已经通过工具插入件12的主体部分22传导。通过降低工具插入件12和工具保持器14之间的钎焊区域中的温度，接头免受较高温度的影响，从而最小化对钎焊强度的有害影响。这有助于将工具插入件12保留在工具保持器14中。

虽然已经参考实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

例如，对于防旋转机构，可以设想仅使用一组瓣状的槽和台阶，而不是上述的两组。同样地，可以替代地提供三组或更多组瓣状的槽和台阶。

机械式保留机构可以与以下元件中的任何一个或多个结合使用：钎焊层、特定的工具保持器材料(即高温高强度合金)和/或冷却系统。然而，这些元件中的任何一个都有其自身的好处。因此，它们可以被单独地实施，或者与列表中的任何一个或多个其他元件结合实施。