专利名称：用超耐磨工具对无法功能性焊接的材料的摩擦搅拌焊接的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及摩擦搅拌焊接(friction stir welding)，其中，通过将一个工具上旋转着的插头插入到一个工件中来产生用于形成一焊接部的热量。更具体地说，本发明涉及一种用于摩擦搅拌焊接工艺中的新型工具，这种新型工具使得本发明能够对利用现有的摩擦搅拌焊接工艺和工具无法进行功能性焊接的材料进行焊接，所述材料包括诸如不锈钢这样的铁基材料，和仅含有微量铁基材料或者根本不含铁基材料的高熔点超耐热合金。
背景技术：
摩擦焊接已经在工业上应用多年。它是一种固态工艺，由于其避免了在传统熔焊工艺中由于熔融材料快速固化所带来的许多问题，所以获得了巨大的经济效益。
当两根导管的端部被挤压在一起，并且快速地将一根导管卡持到位同时将另外一根压靠其上并且旋转时，就会发生一种摩擦焊接。随着通过摩擦而产生出热量，导管的端部将塑性化。通过快速地使得导管停止旋转，这两根导管会熔合在一起。在这种情况下需要注意的是，摩擦热量是由于待接合的两个部件发生相对运动而产生的。
相反，附图1是一种用于摩擦搅拌对缝焊接的工具的透视图，其特征在于，一个大体呈圆柱形的工具10具有一个肩部12和一个从该肩部向外延伸的插头14。插头14抵靠在一个工件16上进行旋转，直至产生出足够的热量，其中，工具上的插头会插入到塑性化的工件材料中。工件16通常是两个在接缝18处对接起来的材料层或材料板。插头14在接缝18处被插入工件16中。由于插头14抵靠在工件材料16上进行旋转所产生的摩擦热量，会导致工件材料16在未达到熔点的条件下发生软化。工件10沿着接缝18横向移动，从而由于塑性化的材料环绕插头从前边缘至后边缘发生流动而形成一条焊接部。最终，在接缝18处形成一个固相焊接部20，该固相焊接部20通常无法与工件材料16区分开。
在现有技术中遍布有摩擦搅拌焊接方面的专利，这些专利的优点在于利用其中的技术手段来获得焊接部，与现有熔焊工艺相比，这些焊接部具有有益特性。这些益处包括较长焊接部上的变形量较小，没有烟雾，没有孔隙，没有激溅并且针对拉伸强度而言具有优越的机械性能。此外，所述工艺的优点还在于利用了一种非自耗工具，无需焊条，无需进行气体屏蔽，并且容许焊接准备不充分，比如在焊接区域存在有氧化物。所述工艺尤其适用于防止对被焊接的原始材料产生明显热损伤或者其它方式的改变。
但是，长期以来存在的一个工业需求是，希望能够对目前无法利用摩擦搅拌焊接进行焊接的材料进行焊接。因此，尽管摩擦搅拌焊接是一种非常适合于对诸如铝、黄铜、青铜这样的非铁合金进行焊接的工艺，但是仍然没有一种能够对具有较高熔点的材料进行功能性焊接的工具。需要明白的是，能够进行功能性焊接的材料指的是那些能够利用摩擦搅拌焊接以大于标称长度的长度进行焊接的材料，并且不会损坏所述工具。
不幸的是，熔焊会改变或者损伤焊接部位的合金，从而由于在焊接过程中在焊接部形成缺陷或者不利晶相而损害该焊接部。在某些情况下，为了形成合金已结合入原始工具材料中的非金属补强材料会在焊接部位被消耗掉。最终的焊接部与原始工具材料上未改变的区域在性能和特性上均不相同。
直至今日，由于摩擦搅拌焊接本身使用了会发生明显磨损的传统摩擦搅拌焊接工具或者探针，以致于阻碍了对诸如MMCs、铁基合金以及超耐热合金这样的材料进行功能性焊接。大多数工具甚至完全无法在MMCs、铁基合金以及超耐热合金中进行工作。如果利用一个普通工具可以启动摩擦搅拌焊接，那么仅在较短距离后就会发生明显磨损，以致于探针发生脱落。例如，某些合金将会使得探针发生磨损，以致于仅在数英寸距离的焊接操作之后无法继续进行工作。
不幸的是，通常的情况是，无法简便地插入一个新的工具并且在前一探针失效的位置处开始进行摩擦搅拌焊接。如果焊接部不连续并且发生了中断，那么由于机械强度发生弱化，该焊接部将无法使用。此外，一部分工具通常会遗留在工件材料中，也会导致机械强度发生弱化。
因此，如果能够提供一种用于摩擦搅拌焊接工艺的新型工具，那么相对于现有技术来说是一个进步，这种新型工具能够更为长久地对将导致普通工具在短距离后失效的材料进行连续并且不间断的焊接操作(功能性焊接)。如果所述新型工具能够对前述利用普通摩擦搅拌焊接工具难以进行焊接的材料进行摩擦搅拌焊接，那么相对于现有技术来说又是一个进步。如果能够提供一种对传统工件材料进行摩擦搅拌焊接的工具，并且该工具能够显现出经过改善的耐磨特性，那么也将是一个进步。
众所周知，第一类希望进行摩擦搅拌焊接但利用普通工具无法进行功能性焊接的材料是金属基体复合材料(MMCs)。MMC是一种具有金属相和陶瓷相的材料。陶瓷相的例子包括碳化硅和碳化硼。用于MMCs中的常用金属是铝。
MMCs具有所需的刚度和耐磨性能，但是它们也具有较低的断裂韧度，从而限制了其用途。MMCs用途的一个较好示例是用于车辆上的圆盘式制动转子，其硬度、强度和耐磨度均优越于现有的材料，但是较为脆弱的特性通常不是一个问题。与铸铁相比，MMC会使得所述转子更为轻质，并且诸如碳化硅这样的陶瓷相能够提供更高的耐磨度。
对于MMCs来说，其它重要用途包括，但并非局限于此，驱动轴，汽缸套，引擎连杆，飞机着陆齿轮，飞机引擎组件，自行车架，高尔夫球杆，放射屏蔽组件，卫星以及航空结构体。
第二类希望进行摩擦搅拌焊接并且具有更多工业应用的材料是铁基合金。铁基合金包括钢和不锈钢。可能的用途是广泛的，包括有造船业、宇航业、铁路业、建筑业以及运输业。单单不锈钢市场就至少是铝合金市场的五倍之大。已经确认，钢和不锈钢代表了超过80％的焊接制品，使得更为希望能够进行摩擦搅拌焊接。
最后，第三类希望进行摩擦搅拌焊接并且具有广泛工业用途的材料是超耐热合金，这种材料比铁基合金具有更高的熔点，并且具有微量的铁或者根本不含有铁。超耐热合金是通常在超过1000华氏度的温度下使用的镍基合金、铁镍基合金以及钴基合金。通常用作超耐热合金的其它元素包括，铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽以及铼，但并非局限于此。
需要注意的是，钛也是一种希望进行摩擦搅拌焊接的材料。钛是一种非铁材料，但是具有比其它非铁材料更高的熔点。
对于提供一种能够对MMCs、铁基合金和超耐热合金进行功能性焊接的工具来说，存在有许多巨大的障碍。这些障碍中的一部分仅会在发明人开始尝试对可以摩擦搅拌焊接非铁合金的现有工具进行改进的实践中显现。下面将对这些障碍以及所述工具的演变过程进行讨论，以便使得读者能够实施本发明。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种用于进行摩擦搅拌焊接的新型工具，这种新型工具与普通工具相比具有较好的耐磨性能。
另一个目的在于，使得所述新型工具包括有一种超耐磨材料，该超耐磨材料能够对MMCs、铁基合金、超耐热合金以及非铁合金进行摩擦搅拌焊接。
再一个目的在于，使得所述新型工具能够改善用于非铁合金的焊接性能。
又一个目的在于，使得所述新型工具能够降低对焊接材料的精整成本。
还有一个目的在于，使得所述新型工具具有较好的几何形状，以减轻在对MMCs、铁基合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接时该工具的磨损状况。
再有一个目的在于，减轻所述新型工具的热磨损、机械磨损和化学蚀损状况。
还有一个目的在于，对所述新型工具进行热学控制。
在一个优选的实施例中，本发明是一种用于对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行摩擦搅拌焊接的工具，该工具包括有一个柄部、一个肩部以及一个插头，该插头贯穿所述肩部被置于柄部内，其中，所述插头和肩部至少包括有一个由超耐磨材料形成的涂层，并且所述插头和肩部被设计成能够减小应力梯级，环绕所述肩部和柄部的一部分设置有一个套环，从而限制所述肩部相对于柄部发生旋转，并且通过在所述肩部与柄部之间以及套环与该工具之间提供一个热流阻隔层，引入了热学控制。
在本发明的第一方面，柄部、肩部和插头是独立组件，它们被连接在一起形成摩擦搅拌焊接工具，其中，所述肩部和柄部均包括有一个超耐磨涂层。
在本发明的第二方面，柄部和肩部是一个整体式构件，该整体式构件至少在其一部分上带有一个超耐磨涂层，并且具有一个带有超耐磨涂层的独立插头。
在本发明的第三方面，柄部、肩部和插头是一个整体式构件，该整体式构件至少在其一部分上带有一个超耐磨涂层。
在本发明的第四方面，利用位于该工具内的热流阻隔层对热量进行的热学控制，能够在插头处产生足够的热量进行摩擦搅拌焊接，同时防止夹持器遭受热损伤。
在本发明的第五方面，插头上的应力梯级减小，在肩部上设置有较大倒角，并且增大插头的直径，从而能够对MMCs、铁基合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接。
在本发明的第六方面，所述工具包括有至少一个设置于超耐磨涂层上的CVD涂层、离子束植入涂层和/或PVD涂层，从而提高抵抗化学蚀损和机械磨损的能力。
在本发明的第七方面，所述工具上涂覆有一种须晶补强超耐磨材料，以便减轻超耐磨涂层的剥落状况。
在本发明的第八方面，沿着所述工具的纵轴设置有平整部，从而在该工具进行平移的过程中防止该工具脱落到组成元素中。
在本发明的第九方面，基于化学蚀损与机械磨损之间的预期均衡对超耐磨涂层加以选取。
在本发明的第十方面，基于具有较低摩擦系数的特性对超耐磨涂层加以选取，从而减轻该工具的磨损状况，其中，较低的摩擦系数能够防止工件材料粘附到所述工具上。
通过结合附图考虑下面的详细描述，本技术领域中那些熟练技术人员将会明白本发明的这些以及其它目的、特点、优点和可选择的方面。
附图1是一个现有摩擦搅拌焊接工具的透视图，该摩擦搅拌焊接工具用于将两块材料板焊接在一起。
附图2A是根据本发明基本原理制成的优选实施例的横剖侧视图。
附图2B是附图2A中所示工具的一个端部视图。
附图3是一个可选择实施例的剖视图，该可选择实施例中的柄部、肩部和插头均为独立组件。
附图4是另外一个可选择工具实施例的剖视图，该可选择工具实施例带有一个贯穿柄部长度设置的穿孔，以有助于更换插头。
附图5是再一个可选择工具实施例的剖视图，该可选择工具实施例中的柄部、肩部和插头是一个整体式构件。
附图6A是一个用作插头的端铣坯件，该插头具有螺旋通道，在这些螺旋通道中设置有超耐磨材料。
附图6B是附图6A中所示端铣坯件的一个端部视图。
附图7A是又一个可选择工具实施例的剖视图，该可选择工具实施例中的柄部又用作一个锁合套环。
附图7B是粗糙表面的特写侧视图，粗糙表面能够实现机械性锁合，从而防止肩部相对于柄部发生滑动。
附图7C是粗糙表面的特写侧视图，粗糙表面能够实现机械性锁合，从而防止肩部相对于柄部发生滑动。
附图8是一个插头的横剖侧视图，该插头具有表面形变部，这些表层形变部被设计成能够在工具材料中环绕该插头形成瞬变流或者紊流。
附图9A是一个插头的端部视图，该插头上包括有平整的表层形变部，这些表层形变部被设计成能够环绕该插头形成瞬变流或者紊流。
附图9B是一个插头的端部视图，该插头上包括有呈不规则表面形状的表层形变部，这些表层形变部被设计成能够环绕该插头形成瞬变流或者紊流。
附图10是一个工具的横剖侧视图，该工具具有一个偏心插头或者凸轮，该偏心插头或者凸轮被设计成能够环绕该插头或者凸轮形成瞬变流或者紊流。
具体实施例方式
下面将参照所述附图，其中，本发明中的不同构件将被赋予附图标记，并且将在其中对本发明进行讨论，以便能够使得本技术领域中的熟练技术人员实现并且使用本发明。需要明白的是，下面的描述仅为本发明基本原理的示例，而不应该视为对后面权利要求产生限制。本发明的现有优选实施例是这样一种工具，即在插头和肩部上结合有超耐磨材料，并且在这种工具中采用了热学控制，以便能够对目前无法进行功能性焊接的材料进行摩擦搅拌焊接。从而，本发明能够在所述工具不会发生明显劣化的条件下对MMCs、铁基合金和超耐热合金长时间进行连续不间断的焊接操作。
由于当用于MMCs、铁基合金和超耐热合金上时普通工具将会磨损或者断裂，因此对现有优选实施例的研究开发遭遇了巨大阻碍。这些阻碍可以归结为热磨损、机械磨损、化学蚀损、热学控制以及工具的几何形状。如同将通过对本发明不同实施例进行图解所说明的那样，在解决这些阻碍的过程中遭遇了巨大难题，直至为所述工具选取的材料与合适的工具几何形状和热学控制相结合为止。
本发明中能够对MMCs、铁基合金和超耐热合金进行功能性焊接的工具的研制过程，开始于在一个断裂工具上进行测试。这种断裂工具具有一个插头，该插头在由MMC制成的工具材料上进行焊接操作时发生断裂。因此，仅在该工具上设置有一个由CBN形成的凸出肩部，并且带有一个锁合套环。发明人并未预料到所述肩部能够在铁基材料上经受化学蚀损或者机械磨损，但是却想知道会出现什么情况。令人惊奇的是，在具有较高熔点的工具上长时间连续运转之后，所述肩部并未显现出明显的磨损痕迹。
这种测试的成功引导发明人利用各种工具实施例进行试验，力图识别出这些工具的那些特性，即能够利用由于所述断裂工具所导致的惊人的耐磨和耐热能力。
附图2A是本发明优选实施例中构件的横剖侧视图，该优选实施例是所述那些试验的结果。从机械构件开始，工具28包括有一个大体呈圆柱形的柄部30。在该柄部30上连接有一个肩部32，该肩部32带有一个一体式插头34。环绕柄部30和带有整体式插头34的肩部32的一部分，连接有一个套环36。在柄部30与带有一体式插头34的肩部32之间设置有一个热流阻隔层38。在套环36与柄部30的一部分，以及与带有一体式插头34的肩部32之间，也设置有一个热流阻隔层40。
该优选实施例中引入了若干个新颖构件，从附图2A中仅能够轻易看出其中的一部分。首先，用于构造工具28的优选材料对本发明至关重要。柄部30最好由胶结的碳化钨形成。选取胶结的碳化钨主要考虑了其强度和较高的导热性能，从而允许对柄部合适地进行冷却，以保持其相对于工具28中其它材料的强度。
超耐磨材料的一个有益特性在于其较高的导热性。但是，重要的是需要明白，导热性会对所述工具产生益处或者是产生害处取决于如何对导热性进行控制。试验已经证明，热学控制对于形成一种优质的摩擦搅拌焊接工具至关重要。
例如，当插头34上包覆有PCBN时，会将大量的热量从焊接区域带走。为了予以补偿，必须比预期更为猛烈地对工具28进行驱动，以在焊接区域产生更多热量。因此，一种优质工具必须能够将足够的热量导入焊接区域，以便能够进行固相焊接操作，与此同时，又能够对热量加以约束，从而保持焊接区域的温度尽可能地低，以便获得高质量的焊接区域。换句话说，利用超耐磨材料的较高导热性能，所述工具可以被设计成能够控制从该工具流出任何预期的热量流，从而能够灵活设计。相反，一种具有较低导热性的材料将被局限于其本身的导热值，或者更低。
在由于所需的运转参数而使得所述工具产生大量热量的情况下，必须对该工具进行外部冷却。所述目的在于具有一种工具，该工具的热流特性可以调整，以便获得最好的焊接特性，包括快速冷却下来的焊接部。
为了保持焊接区域附近由于工具与工件发生摩擦而产生的热量，研究开发出了一种热学控制方案。该方案的一个方面在于选取一种用于柄部30的材料，这种材料将能够限制从插头34流向夹持器(未示出)的热量，所述夹持器中卡持有工具28的固连端部42。夹持器用于使得工具28旋转，并且也会在热量作用下遭受损坏。该热学控制方案还用于保持柄部的温度足够低，以抵抗在摩擦搅拌焊接过程中的平移作用力。
可选择地，一种高强度钢可以取代柄部30中的胶结碳化钨，但是这种钢将从肩部32和一体式插头34传导走较少的热量，从而导致柄部30在高温下和较低的强度下进行运转。但是，通过合适冷却，这种钢将能够正常工作。
如果抵靠在工件材料上旋转插头34，以便产生出用于摩擦搅拌焊接工艺的热量，那么重要的是知道进行功能性焊接所需的转速。带有一体式插头34的肩部32的转速，最好位于50至2000rpm的范围之内，这取决于待焊接的材料、工具的直径以及工具28中构件的组分。需要注意的是，所述工具的优选线速度为每分钟7至400面英尺(surfacefeet)。
伴随所述转速，摩擦搅拌焊接工艺的时间安排非常关键。重要的是，仅当工件材料足够热以致于形成塑性化焊接区域时，插头34被插入工件材料中。但是，时间安排要根据所使用的材料、各个工件的构造以及所使用的工艺参数而发生改变。
借助于前面针对热量控制的说明，将可以明白热流阻隔层38的作用。关键在于，在不通过工具28将热量带走的条件下，合适地对摩擦热量进行控制，以确保热量汇聚在工件材料上。在现有的优选实施例中，钛或者钛合金被选作用于热流阻隔层38的材料。由于钛合金能够承受工具28所经历的温度，并且由于其具有相对较低的导热性，所以钛合金可以被选作用于热流阻隔层38的材料。无论如何，需要认识到的是，钛合金不是唯一一种可以使用的材料。为了解释目的而选取了钛合金，并且可以利用一种能够执行类似功能的材料将其取代。
由于其中所使用的材料和其几何形状，所以带有一体式插头34的肩部32是本发明中一个最为新颖的构件。这些构件的选取依据在于，能够克服摩擦搅拌焊接工艺中的极度热磨损、机械磨损和化学蚀损。这些类型的磨损或蚀损同等重要，会导致不同类型的故障。
针对材料来说，通过试验已经确认，利用位于肩部32和插头34上的超耐磨材料能够使得本发明实现对MMCs、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行功能性焊接。具体来说，在本优选实施例中，多晶立方氮化硼(PCBN)被用作一种涂覆于基体材料上的超耐磨材料，所述基体材料用于带有一体式插头34的肩部32中。
一个由PCBN制成的涂层被用作位于基体材料上的超耐磨材料涂层，意味着涂覆工艺是微不足道的。事实远不是如此。所述涂层不仅仅是一种利用室温工艺进行涂抹的物质。相反，涂覆操作涉及高温和超高压力。此外，用于涂覆超耐磨材料的表面的几何形状必须被制成能够使得超耐磨材料具有较好的耐磨性能，并且能够避免由于龟裂而无法使用。因此，本发明的一个重要方面在于，描述一种工具的几何形状，该几何形状将可以由超耐磨涂层形成。本发明的再一个主要方面在于，描述一种可以使用的可能超耐磨材料。下面将提供一种如何涂覆所述涂层的示例。
PCBN由六边形氮化硼粉末在超高温和超高压(UHTP)条件下(在1400摄氏度或者1673开氏温度下每平方英寸一百万磅)压制而成的。可以对时间和温度进行调节，以形成具有适合于特定用途的最佳尺寸、形状和脆度的立方形氮化硼晶体。所述晶体的尺寸范围从小于一微米至大约50微米。
为了制取本发明中的肩部32和一体式插头34，立方形氮化硼(CBN)晶体与一种不同的或者第二种晶相材料粉末混合起来。第二种晶相材料要么是陶瓷基，要么是金属基。CBN提供了机械强度，而陶瓷可以提供抵抗化学蚀损的能力。从而，CBN相对于第二种晶相材料的百分比取决于其用途，其中，抵抗机械磨损的能力必须与抵抗化学蚀损的能力达到均衡。
已经确认，第二种晶相材料通常会增加PCBN的韧度和化学稳定性。所述韧度一部分是由于第二种晶相能够抑制裂纹扩展所造成的。由于存在有随机方向的龟裂平面，并且这些龟裂平面本身能够抵抗剥落现象，所述CBN非常有用。较少的CBN组分通常用于对淬硬后的超高温耐热合金进行机械操作，所述超高温耐热合金较为需要抵抗化学蚀损的能力，而不太需要抵抗机械磨损的能力。较高的CBN组分用于抵抗磨损，其中，所述第二种晶相通常是用于增加韧度的金属相。
重要的是必须注意，CBN晶体具有类似于PCD的硬度值、导热性、热膨胀性、摩擦系数、断裂韧性以及横向断裂值。这些性能利用第二种晶相材料设计出来，以满足特定的用途需求。
被混合起来的粉末与一种诸如胶结碳化钨这样的基体，或者甚至是一个独立的PCBN坯件，被置于一个耐火容器中。该容器被密封起来，并且再次进行所述的UHTP压制操作，其中，所述粉末被烧结在一起并且被烧结在所述基体上，以制取一个PCBN工具坯件。该PCBN工具坯件随后经过研磨、叠压、EDM线裁切或者激光裁切而具有合适的形状和尺寸，这取决于其用途。
超耐磨材料是那些被定义为在高温和超高压力下加工而成的材料。超耐磨材料包括PCBN和PCD。这些材料可以在元素周期表中找出，并且被确定为包括有从IIIA、IVA、VA、VIA、IIIB、IVB以及VB衍生出来的元素的合成物。
超耐磨材料具有一种坚硬的主要或者第一晶相，和一种次要的催化晶相，这种次要的催化晶相有利于对主要晶相晶体结构进行胶结和改变。超耐磨材料可以有或者可以没有导电性能。它们也可以利用晶须补强件进行补强。它们也可以被看作那些在较高温度和压力下进行加工过程中经历固态相变的材料，和一种在有或者没有粘结剂的条件下通过烧结工艺形成的材料。
本发明的再一个方面在于肩部32。根据其制造方式，位于肩部32上的超耐磨材料可以相对较薄。如果超耐磨材料被精整为一种所需形式，那么这一点将尤为重要。如果最终形状包括有一种倾斜、对切或者成角度的表面或者类似于本实施例中所示的其它结构，那么重要的是所述倾斜部不会穿透超耐磨材料。因此，超耐磨材料的厚度必须足以在不会到达所述基体材料的条件下提供所需的倾斜部。
随着本发明的不断发展，一种被设计成能够用于对铝进行摩擦搅拌焊接的工具被用于铁基合金上。这种工具会在插头处发生故障。这是因为当对具有较高熔点的材料进行摩擦搅拌焊接，并且当使用一种包覆有超耐磨材料的肩部和插头时，必须考虑其几何形状。因此，本发明的其它新颖特征包括1)消除了应力梯级；2)利用较大倒角或者斜面；3)应力分布更为均匀；4)增大了插头的直径。
针对应力梯级而言，许多现有的专利教导了奇特的插头设计，包括带有螺纹的插头，和具有尖锐边缘和棱角的插头。位于插头上的螺纹通常是所希望的，这是因为这些螺纹会推动工件材料返回到工件中，导致发生搅拌作用并且形成较好的焊接部。但是，在本发明中，这些形状通常是不希望的，因为它们会成为超耐磨涂层的龟裂原发器(crack initiators)，但是可以以一种改进形式使用，以使得应力梯级最小化。因此，在肩部32和插头34上具有较大的倒角或者斜面是所希望的。这些较大的倒角在附图2A中示出。
针对插头直径而言，所述优选实施例中的插头34的直径大于传统工具的直径。这一部分是因为较大的应力所造成的，当对MMCs、铁基合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接时，插头34将经历较大的应力。插头直径或许最好被表示为插头直径与插头长度的比率。在目前优选的实施例中，比率范围从0.2∶1至30∶1。
还需要指出的是，肩部32未被表示成一个相对于工件的平整表面。该肩部32在事实上呈内凹形状。这种形状能够使得塑性化后的工件材料更易于环绕插头34移动和流动。内凹形状也会迫使塑性化后的工件材料返回到工件中。
尽管在肩部32的外径与内径之间示出了一个相对平整的区域44，但该区域44也可以发生弯曲来形成一个内凹表面或者外凸表面。可选择地，肩部32也可以相对于工件呈外凸形状或者平整形状。
摩擦搅拌焊接工艺需要夹持器下压在工具28上。该轴向压力通常足以沿着轴向将组件30、32和34卡持在一起。但是，由于工具28相对于工件平移，很大的旋转力迫使柄部30相对于肩部32运动。所述构件相互之间不会相对旋转是至关重要的。相对旋转运动将会阻碍所述插头在工件上的焊接区域处产生足够的摩擦热量。
因此，本发明中的一个新颖方面是，需要将所述该构件机械锁合起来。由于将所述组件硬钎焊在一起将仅会成为工具28的一个脆弱部位，所以机械锁合是必需的。这是因为硬钎焊材料往往具有这样一个熔点，该熔点至多接近执行摩擦搅拌焊接所需的温度。
在早期试验中，机械锁合首先借助于燕尾式连接而实现。但是，燕尾榫会在工具28的某些部分上形成龟裂。因此，最好如同附图2B中所示出的那样使用平整部46。平整部46通过与一个锁定套环相结合，用于防止工具28中的组件30、32和34相互之间发生相对滑动。尽管在该附图中示出了两个平整部，但是环绕工具28的圆周，可以设置一至任何所需数目的平整部。
可选择地，平整部46可以由其它表面特征所取代，只要这些表面特征能够使得工具组件30、32和34被机械锁合在这样一个状态即可，即在这种状态下，它们相互之间保持固定。其它表面特征包括使用花键、摩擦焊接、扩散焊接、位于背面的卡锁，或者位于柄部外径上的卡锁。
该优选实施例中的最后组件是套环36和热流阻隔层40。试验中所用第一种套环材料中之一由钛合金制成。不利之处在于，钛合金是可拉伸的，并且在高温下将会发生蠕变和流动。利用钛合金进行的初步测试表明，随着由所述工具形成一个焊接部，在实际上，钛合金套环会环绕肩部向下流动，并且流动到工件上。
因此，必须将另外一种材料紧固在肩部32和柄部30的周围，来将它们机械性锁合在一起。此外，钛合金仍将存在，以便将新的套环材料隔离于肩部32和插头34上的高温之外。这种隔离还有助于进行热学控制，从而在工件上的焊接区域处保持所需的温度。本优选实施例利用一种超耐热合金作为套环36中的材料。
例如，镍-钴或者钴-铬合金均是合适的超耐热材料。
附图2B提供了工具28的一个端部视图。从该透视图中可看到的物体是插头34、肩部32、钛合金热流阻隔层40以及套环36。
尽管本优选实施例教导了使用CBN作为肩部32和插头34上的超耐磨涂层，但这并非唯一可以使用的超耐磨材料。例如，CBN的一种最佳替代物是多晶金刚石(PCD)。很显然，PCD能够显现出CBN的许多工作特性。
所述优选实施例中的尺寸仅用作一个示例，但将在下面加以使用。插头的直径为0.37”。肩部的直径为1”。钛合金热流阻隔层38、40的厚度为0.060”，而套环36的直径为1.63”。所示出的套环36上的角度为15度，而所示出的肩部的角度为6度。这些附图仅用于解释目的，不能被认为是一种限制。不能将这些尺寸用于所有用途。
为了理解本发明的所有优点和必要条件，必须对不同问题进行解释，以及解释优选实施例是如何被研究开发出来的。
在工具28上的一个重要考虑在于，尽管CBN是一种适合于对钢进行摩擦搅拌焊接的材料，但是它并不适合于其它材料。因此，正如在可选择实施例中所示出的那样，它是本发明中的一个能够与肩部和插头相混合并且相匹配的构件。
另外一个考虑在于，某些超耐磨材料可以溶解于特定的材料中。例如，PCD会在摩擦搅拌焊接的温度下与钛合金发生化学反应。因此，金刚石无法用于对生成的碳化物元素(carbide former)进行焊接，除非将要达到的最高温度低于可溶点。
在本发明中的肩部32和插头34中使用超耐磨材料具有两个显著优点。首先，CBN的摩擦系数和金刚石的摩擦系数非常低(0.05至0.1)。相反，钢的摩擦系数为0.8。这种较低的摩擦系数能够使得工件材料沿着工具28发生滑动，而并非粘附于其上。最终，获得一个非常洁净的成品，无需对该成品进行过多的精整操作。尤其是利用铁基合金和超耐热合金，精整成本将会较高。较低的摩擦系数还能够减轻工具的磨损。
第二，CBN和PCD的导热性大约为100至550瓦特/千米，相比而言，钢的导热性大约为48瓦特/千米。最终的结果是，焊接部的温度较低。由于较低温度的焊接部更为远离熔点，所以较低温度的焊接部是所希望的，并且从而避免了所有与液相焊接相关的问题。在测试中已经证明，本发明的一个直接益处在于，与利用较为普遍的弧焊操作所形成的焊接部相比，所形成的焊接部具有较大的拉伸强度。当然，CBN的较高导热性也是用于热流阻隔层38、40的原因所在，用于保持热量从工件上的焊接区域逃逸出来。
已经说明了一种用于所述肩部和插头的基体，在这种基体上涂覆有一种超耐磨材料。本发明的另外一个新颖方面在于，允许使用多个涂层。这些涂层可以利用CVD、离子植入或者PVD工艺进行涂覆。这些涂层的目的在于提供一些技术特征，以有助于使得超耐磨材料能够承受其所经历的不同类型摩擦。例如，一种第二涂层可以增强抵抗化学蚀损的能力。
涂覆在基体或者超耐磨材料顶部上的所述涂层可以具有不同的厚度。尽管在磨具工业中0.030”至0.050”的涂层被认为是较厚涂层，而小于0.001”的涂层被认为是较薄涂层，但是本发明的一个方面在于，为了使得所述涂层材料发挥最佳性能，需要其它厚度。也可以对固态CBN进行压制，以使其不带有涂层。这种CBN可以被压制成UHTP工艺所允许的最大体积，通常高达直径为4英寸，长为4英寸。但是，这种固态CBN无法成为一种能够增大强度和韧性的基体。
尽管热学控制是优选实施例中的一个新颖之处，但是由于另外一种原因，对工具进行冷却也很重要。热学控制用于通过确保热量不会被传递走而保证足够的热量被导入焊接区域。但是对于能够从肩部和插头导走的热量来说，通常需要提供某些类型的有效冷却。冷却操作可以在工具的外部以薄雾形式进行，或者甚至利用空气来进行。但是，冷却操作也可以是一种内部工艺。因此，必须利用某些材料来通过形成一条贯穿柄部一部分的冷却通道，进行内部冷却。也可以对夹持器进行冷却。冷却操作甚至可以延伸至工件本身。尽管热量是进行焊接所必需的，但是必须时刻牢记，冷却的焊接部本身更为坚固，并且摩擦搅拌焊接是一种固相工艺。
为了理解性能问题，还存在有若干个必须加以考虑的可选择实施例。现有的优选实施例教导了一种带有两个组件的工件柄部30和带有一体式插头34的肩部32。但是，试验已经表明，插头34通常会先于肩部32发生磨损。如果它们是一体式的，那么整个肩部32和插头34组合体必须被一起更换。这会导致浪费。
因此，附图3是一个可选择实施例的横剖透视图，其中，肩部50与插头52没有成为一体。相反，这些组件分别独立制造而成，并且均被连接在柄部48上。正如在附图3中所示出的那样，插头52被置放在一个在柄部48的端部上钻取的钻孔54中。热流阻隔层38、40仍旧位于合适的位置处。插头52仅在钻孔54外侧的部分上带有一个超耐磨涂层。
将插头52连接到柄部48上也并非是一个无关紧要的事情。最好，插头52利用压配合置于钻孔54中。需要注意的是，如果插头52需要承受残余的压应力，那么可以增大插头52的强度。
插头52的形状也可以发生改变。使得插头具有一个非圆形的横剖面，存在有若干个优点。比如，插头可以呈六边形或者正方形。因此，插头可以被制成一个椭圆形物体，或者一个所有侧边均为平直的物体，或者是一个既具有弯曲侧边又具有平直侧边的物体。
残余的压应力比如可以通过对工具进行加热而产生。随着工具被加热，其将发生膨胀。插头的直径被选择成能够在该工具冷却时，其在插头上施加正向机械压力。
另外一种固连方法可以是将一个螺钉置于插头52中。该螺钉将被用于通过一个工具的后端部向所述插头施加压力。
附图4提供了本发明的另一个可选择实施例。与附图3的不同之处在于，该附图4中的钻孔62完全贯穿柄部60。本实施例的一个主要优点在于，更换插头64非常简便，即通过穿过钻孔62插入一个工具来将插头64顶出柄部60即可。这种设计可以降低成本，并且使得这种工具能够应用于许多用途。因此，仅需要插入一个具有合适长度的插头64。
本发明的一个未予以描述的方面在于，当所述插头是一个可更换物体时这种插头的组分。最好，这种插头由胶结的碳化钨制成，并且涂覆有一种合适的超耐磨材料。但是，这种插头也可以由一种固态超耐磨材料制成，或者由一种带有所需涂层的碳化物制成。
所述插头的另一方面在于，可以对其进行补强。如果由于工件材料厚度的原因而导致插头长度不是通常的长度，那么最好对插头进行补强。当插头中的材料本身的强度达不到诸如碳化钨这样材料的强度时，也必须进行补强操作。
以类似方式，所述柄部也可以由一种超耐磨材料制成，或者由一种涂覆有超耐磨材料的碳化物制成。
附图5是本发明的再一个可选择实施例，其中，取代具有独立的组件，工具70是一个整体式单元。但是，将整个工具制造成一个整体式构件的成本是非常昂贵的。与其它实施例的优点相比，本实施例通常难以广泛应用。尽管如此，它也是一种选择，通常由胶结的碳化钨制成，带有涂覆于肩部72和插头74表面上的超耐磨涂层。其用途的不同之处或许是热学控制，当使用超耐磨材料时，热学控制被看作是至关重要的。因此，插入一个隔热层也很重要，但是这将与整体式设计的目的相抵触。
本发明的一个可选择实施例是一种能够被插入所述工具中的插头。附图6A提供了一个螺旋端铣坯件80的侧部透视图。坯件80中的材料最好是胶结的碳化钨，带有设置于螺旋通道82中的PCBN或者其它超耐磨材料。附图6B是坯件80的一个端部视图，示出了其中设置有超耐磨材料的螺旋通道82。
可以预见，还存在有用于将PCBN肩部或者经过涂覆的肩部连接到柄部上的其它措施。附图7A提供了又一个工具实施例的横剖视图，该工具实施例提供了本发明中所有的预期特性，但是却未使用一个独立的锁合套环。在该附图中，锁合套环由柄部本身的一部分所取代，从而与柄部本身成为一体。
更具体地说，所示出的柄部90具有一个钻孔92，该钻孔92部分进入柄部90的工作端部94中。钻孔92的深度基于肩部和插头96的深度进行选取。在本实施例中，肩部和插头96是一体的。但是，肩部和插头96也可以是前述实施例中所示出的独立组件。对于本实施例来说，重要的是钻孔92周围的侧壁98用作一个锁合套环，从而有助于防止肩部和插头96相对于柄部90发生旋转。比如，这可以通过将肩部和插头96压配合在钻孔92中来实现。需要注意的是，热流阻隔层100也被安装在合适的位置处，以便对从肩部和插头96流向柄部90的热量进行控制。
但是，在某些负载状况下，尽管使用了压配合，肩部和插头96仍会发生滑动。因此还可以想到，本实施例包括使用某些其它措施来将肩部和插头96的后表面102机械锁合在柄部90上。这可以通过利用某些前述技术来实现。例如，机械锁合可以通过位于后表面102和钻孔92的底表面104上的匹配齿部、花键或者其它物理特征来实现，所述物理特征通过匹配互锁来防止发生相对旋转。
附图7B和7C提供了两种如何能够将肩部和插头96的后表面102机械锁合在柄部90上钻孔92的底表面104上的示例。在这些附图中，钻孔92的底表面104上成形有钻孔花键106，并且在肩部和插头96的后表面102上成形有匹配花键108。
本发明的再一个重要并且新颖的方面在于，工件材料环绕工作插头的流动状态。尽管摩擦搅拌焊接通常被看作是一种固相工艺，但是工件材料仍旧能够发生液态运动或者流动。当力图获得优质的焊接部时，重要的是提高工件材料环绕所述插头的流动速率。
层流被定义为非紊态液流。不幸的是，所述工件材料的层流也最缓慢。因此，任何能够导致工件材料环绕插头的液流速率提高的插头几何形状，均将导致焊接部具有较好的焊接特性。因此，所希望的是能够使得工件材料发生紊态液流，或者瞬变流动，瞬变流动被定义为一种具有紊流特性的流动状态。因此，所希望的是使得分界层从层流跳跃到瞬变流或者紊流。此外，还希望能够在所述工具处于最小可能旋转速度时获得瞬变流或者紊流，并且具有非常简单的工具几何形状。
因此，本发明的一个方面在于提供一种能够导致工件材料发生瞬变流或者紊流的插头几何形状。附图8提供了一种具有物理形变部的插头的侧视图，所述物理形变部被设计成能够使得工件材料环绕插头至少发生某种程度的瞬变流或者紊流。正如所示出的那样，插头120上分布有多个凹窝122，这些凹窝122非常类似于高尔夫球上的凹窝。为了使得所述工件材料具有所需的流动特性，需要改变凹窝122的数目、尺寸和深度。
类似地，附图9A提供了插头126和肩部128的一个端部视图，插头126和肩部128被设计成能够环绕插头126产生瞬变流或者紊流。所示出的插头126在其侧面上具有唯一的一个平整部130。可以预见，可以对平整部130的总数目和宽度进行调整，以获得所需的工件流动特性。也可以预见，取代平整表面，粗糙表面将沿着插头的长度方向进行延伸，并且可以是一个不一致的表面。例如，附图9B示出了插头132和肩部134的另外一个端部视图，其中，粗糙表面136并不平整。
在附图10中示出了本发明的另外一个方面，该方面与获得环绕所述插头的瞬变流或者紊流有关。附图10是一个工具140的侧视图，其中，插头142被设置成与工具140的纵轴144相平行，但是不再与该纵轴144同心。此时，插头142是偏置的，从而形成了一个凸轮构造，该凸轮构造被设计成能够在工件材料中产生瞬变流和紊流。需要指出的是，仅为了图示目的而对偏置度进行了放大。实际的偏置度将取决于工具和工件的特性。
也可以预见，根据本发明的基本原理，可以采用多种适用的插头几何形状和工具。例如，具有长度可调节插头的工具可以提供许多益处。必须对所述工具进行改进以减小应力梯级，要么利用超耐磨材料在肩部和插头上进行涂覆，要么由固态超耐磨材料制成，并且可以利用在本发明中所述的热学控制技术。
本发明的最后一个方面在于，将工具压制成一种近似成品形状(anear net shape)。接近成品形状指的是这样一种工具，即在进行压制操作之后，仅需对这种工具进行非常少的精整操作即能获得最终成品。在现有的优选实施例中，所述插头、肩部、一体式插头与肩部以及带有补强件的插头，均被压制成近似成品形状。
将会明白的是，前述装置仅用于图解本发明基本原理的应用方式。在不脱离本发明构思和范围的条件下，本技术领域的那些熟练技术人员可以想象到多种变型和可选择装置。所附权利要求力图涵盖这些变型和可选择装置。
权利要求
1.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接，包括有一个具有一柄部、一肩部和一插头的摩擦搅拌焊接工具，其中，肩部被机械锁合在柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；和一种至少被置于肩部和插头一部分上的超耐磨材料，其中，该超耐磨材料具有一种第一晶相和一种第二晶相，并且在一种超高温和超高压工艺下制造而成，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
2.如权利要求1中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述柄部大体呈圆柱形，并且具有一个柄部工作端部和一个柄部固连端部，柄部固连端部被设计成能够连接到一个用于产生旋转运动的装置上，其中，该柄部在柄部固连端部处具有较小的直径，而在工作端部处具有较大的直径；所述肩部大体呈圆柱形并且形成了一个圆盘，具有一个肩部工作端部和一个肩部固连端部，其中，该肩部的直径大体等于所述柄部工作端部的直径，并且在肩部固连端部处被连接在所述柄部工作端部上；以及所述插头是所述肩部上的一体式组件，其中，该插头大体呈圆柱形，并且与从肩部开始向外延伸的肩部纵轴同心且平行，同时，在肩部与该插头的接合部形成有一个第一插头倒角，而在插头工作边缘处形成有一个第二插头倒角。
3.如权利要求2中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个锁合套环，该锁合套环用于将所述肩部机械锁合在所述柄部上，从而防止肩部相对于柄部发生旋转。
4.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第一热流阻隔层，该热流阻隔层被置于所述肩部与柄部之间，从而对从肩部流向柄部的热量进行控制。
5.如权利要求4中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第二热流阻隔层，该热流阻隔层被置于所述锁合套环与肩部和柄部上环绕设置有该锁合套环的部分之间，从而对从肩部和柄部流向锁合套环的热量进行控制。
6.如权利要求5中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层中还包括有钛合金。
7.如权利要求3中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括有这样一种其导热性低于所述肩部、插头和锁合套环的材料。
8.如权利要求7中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述柄部的材料为胶结的碳化钨、钨合金、钢、钼合金或者超耐热合金。
9.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括沿着该工具的纵轴至少设置一个表面特征部，这些表面特征部能够使得所述锁合套环更为牢固地将肩部和柄部卡持在一种相同的相对状态下。
10.如权利要求9中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述至少一个表面特征部为平整部、花键、键槽与键、锁合插头、燕尾榫或者齿部。
11.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个机械锁合件，该机械锁合件位于所述柄部工作端部与肩部固连端部之间，并且该机械锁合件为燕尾榫、花键或者齿部。
12.如权利要求3中所述的工具，其特征在于所述肩部还包括一个环绕其工作边缘设置的肩部倒角，该肩部倒角用作超耐磨材料中的龟裂抑制器。
13.如权利要求12中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部倒角被制成具有0.002”至1.2”的半径，根据为了抑制在超耐磨材料中产生龟裂而从该范围内进行选取。
14.如权利要求13中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述第一插头倒角被制成具有0.002”至3.5”的半径，根据为了抑制在超耐磨材料中产生龟裂而从该范围内进行选取。
15.如权利要求14中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述第二插头倒角被制成具有0.002”至1.5”的半径，根据为了抑制在超耐磨材料中产生龟裂而从该范围内进行选取。
16.如权利要求3中所述的工具，其特征在于所述插头的插头直径与插头长度之比为0.2∶1至30∶1。
17.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为靠近所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向内倾斜，形成一个倒置的截头圆锥形状。
18.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为靠近所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向内倾斜，并且该肩部表面呈内凹形状。
19.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为靠近所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向内倾斜，并且该肩部表面呈外凸形状。
20.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，位于所述肩部倒角与第一插头倒角之间的肩部表面形成了一个垂直于所述纵轴的平面。
21.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为远离所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向外倾斜，形成一个截头圆锥形状。
22.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为远离所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向外倾斜，并且该肩部表面呈内凹形状。
23.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，第一插头倒角比所述肩部倒角更为远离所述柄部，以便肩部表面从肩部倒角至第一插头倒角向外倾斜，并且该肩部表面呈外凸形状。
24.如权利要求18中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部表面与一个垂直于所述纵轴的平面成0至45度的夹角。
25.如权利要求21中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部表面与一个垂直于所述纵轴的平面成0至45度的夹角。
26.如权利要求3中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述锁合套环开始于一个内倒角，并且倾斜于一个外倒角远离所述插头，形成一个0至45度的夹角。
27.如权利要求2中所述的工具，其特征在于用于将所述肩部机械锁合在所述柄部上的装置为花键、锁合插头、燕尾榫或者齿部。
28.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接，包括有一个柄部，该柄部具有一个柄部工作端部和一个柄部固连端部，其中，在柄部工作端部上设置有一个至少部分进入该工作端部中的柄部钻孔，并且该柄部钻孔与一根纵轴同心设置；一个呈圆盘状的肩部，其中，存在有一个与所述柄部钻孔相对齐的肩部穿孔，并且该肩部被连接在所述柄部上，该肩部被机械锁合在所述柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；一个穿过所述肩部穿孔并且至少部分设置于所述柄部钻孔内的插头，其中，该插头的一部分被置于肩部穿孔的外侧，并且该插头被机械锁合在所述柄部上，从而防止该插头相对于柄部发生旋转；以及一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，并且，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
29.如权利要求28中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述柄部和肩部的工作端部均具有一个椭圆形横剖面；和一个环绕所述柄部和肩部的一部分设置的锁合套环，从而防止肩部相对于柄部发生旋转。
30.如权利要求28中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部具有一个肩部工作边缘，该肩部工作边缘具有一个倒角，从而抑制在超耐磨材料中形成龟裂。
31.如权利要求30中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个环绕所述柄部和肩部的一部分设置的锁合套环，从而防止肩部相对于柄部发生旋转。
32.如权利要求31中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第一热流阻隔层，该第一热流阻隔层被设置在所述肩部与柄部之间，从而对从肩部流向柄部的热量进行控制。
33.如权利要求32中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第二热流阻隔层，该第二热流阻隔层被设置在所述锁合套环与肩部和柄部上环绕有该锁合套环的部分之间，从而对从肩部和柄部流向锁合套环的热量进行控制。
34.如权利要求33中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第三热流阻隔层，该第三热流阻隔层被设置在所述插头与柄部之间，从而对该工具内的热量流动进行控制。
35.如权利要求34中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层中的材料是一种其导热性低于所述柄部、肩部、插头和套环的材料，从而对该工具内的热量流动进行控制。
36.如权利要求35中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层还包括有钛或者钛合金。
37.如权利要求35中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括有一种其导热性低于所述肩部、插头和锁合套环的材料。
38.如权利要求37中所述的工具，其特征在于所述柄部材料为胶结的碳化钨、钢或者超耐热合金。
39.如权利要求38中所述的工具，其特征在于该工具还包括沿着该工具的纵轴至少设置一个表面特征部，这些表面特征部能够使得所述锁合套环更为牢固地将肩部和柄部卡持在一种相同的相对状态下。
40.如权利要求39中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述至少一个表面特征部为平整部、花键、键槽与键、锁合插头、燕尾榫或者齿部。
41.如权利要求40中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个机械锁合件，该机械锁合件位于所述柄部工作端部与肩部固连端部之间，并且该机械锁合件为燕尾榫、花键或者齿部。
42.如权利要求41中所述的工具，其特征在于所述肩部还包括一个环绕其工作边缘设置的肩部倒角，该肩部倒角用作超耐磨材料中的龟裂抑制器。
43.如权利要求42中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部倒角被制成具有0.002”至1.2”的半径，根据是否能够抑制在超耐磨材料中形成龟裂而从该范围内进行选取。
44.如权利要求28中所述的工具，其特征在于所述插头的插头直径与插头长度之比为0.2∶1至30∶1。
45.如权利要求43中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，肩部表面从所述肩部倒角至插头向内倾斜，形成一个呈倒置的截头圆锥形状的表面。
46.如权利要求45中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，所述肩部表面呈内凹、外凸或者平整形状。
47.如权利要求43中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述肩部，其中，位于所述肩部倒角与插头之间的肩部表面形成了一个垂直于所述纵轴的平面。
48.如权利要求46中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述肩部表面与一个垂直于所述纵轴的平面成0至45度的夹角。
49.如权利要求48中所述的工具，其特征在于该工具还包括所述锁合套环开始于一个内倒角，并且倾斜于一个外倒角远离所述插头，形成一个0至45度的夹角。
50.如权利要求28中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括一个过渡区域，该过渡区域将所述柄部工作端部与柄部固连端部分隔开，并且该柄部的直径在该过渡区域处发生改变。
51.如权利要求50中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括所述柄部固连端部的直径大于所述柄部工作端部。
52.如权利要求50中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括所述柄部工作端部的直径大于所述柄部固连端部。
53.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接，包括有一个柄部，该柄部具有一柄部工作端部和一柄部固连端部，其中，从柄部工作端部至柄部固连端部设置有一个柄部钻孔，并且该柄部钻孔与一根纵轴同心设置；一个呈圆盘状的肩部，其中，存在有一个与所述柄部钻孔相对齐的肩部穿孔，并且该肩部被连接在所述柄部上，该肩部被机械锁合在所述柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；一个穿过所述肩部穿孔并且至少部分设置于所述柄部钻孔内的插头，其中，该插头的一部分被置于肩部穿孔的外侧，并且该插头被机械锁合在所述柄部上，从而防止该插头相对于柄部发生旋转；以及一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，并且，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
54.如权利要求53中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个环绕所述柄部和肩部的一部分设置的锁合套环，从而防止肩部相对于柄部发生旋转。
55.如权利要求54中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第一热流阻隔层，该第一热流阻隔层被设置在所述肩部与柄部之间，从而对从肩部流向柄部的热量进行控制。
56.如权利要求55中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第二热流阻隔层，该第二热流阻隔层被设置在所述锁合套环与肩部和柄部上环绕有该锁合套环的部分之间，从而对从肩部和柄部流向锁合套环的热量进行控制。
57.如权利要求56中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第三热流阻隔层，该第三热流阻隔层被设置在所述插头与柄部之间，从而对该工具内的热量流动进行控制。
58.如权利要求57中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层中的材料是一种其导热性低于所述柄部、肩部、插头和套环的材料，从而对该工具内的热量流动进行控制。
59.如权利要求58中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层还包括有钛或者钛合金。
60.如权利要求58中所述的工具，其特征在于所述柄部还包括有一种其导热性低于所述肩部、插头和锁合套环的材料。
61.如权利要求60中所述的工具，其特征在于所述柄部材料为胶结的碳化钨、钢或者超耐热合金。
62.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接，并且是一个整体式装置，包括有一个柄部，该柄部具有一柄部固连端部和一柄部工作端部；一个成形在所述柄部工作端部上的肩部，该肩部具有一个肩部工作边缘，其中，该肩部工作边缘被制成一个倒角；一个形成于所述肩部中的插头，其中，该插头与从肩部开始向外延伸的肩部纵轴同心且平行，并且，在肩部与插头之间的接合部处成形有一个第一插头倒角，并且在一插头工作边缘处成形有一个第二插头倒角；以及一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，并且，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
63.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行摩擦搅拌焊接，包括有一个柄部，该柄部具有一柄部工作端部和一柄部固连端部，其中，在柄部工作端部上设置有一个至少部分进入该工作端部中的柄部钻孔，并且该柄部钻孔与一根纵轴同心设置；一个呈圆盘状的肩部，其中，存在有一个与所述柄部钻孔相对齐的肩部穿孔，并且该肩部被连接在所述柄部上，该肩部被机械锁合在所述柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；一个穿过所述肩部穿孔并且至少部分设置于所述柄部钻孔内的插头，其中，该插头的一部分被置于肩部穿孔的外侧，并且该插头被机械锁合在所述柄部上，从而防止该插头相对于柄部发生旋转；以及一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，并且，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
64.如权利要求63中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，该插头具有一个呈椭圆形的横剖面。
65.如权利要求63中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，该插头具有一个呈多边形的横剖面。
66.如权利要求63中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个位于所述插头与肩部之间的接合部，该接合部包括有一倒角或者一斜面，并且被制成能够抑制在超耐磨材料中发生龟裂。
67.如权利要求66中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，该插头在其表面上包括有某些构造，这些构造用于使得工件材料环绕插头的液态流动转变为瞬变流或者紊流。
68.如权利要求67中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，其中，位于该插头上的所述构造是多个位于其表面上的酒窝状凹陷部。
69.如权利要求67中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，其中，位于该插头上的所述构造是一个凹陷入其侧面内的弯曲部
70.如权利要求67中所述的工具，其特征在于该工具还包括有所述插头，其中，该插头上的所述构造是一个被设置在其侧面上的平整部。
71.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接，包括有一个具有一柄部、一肩部和一插头的摩擦搅拌焊接工具，其中，肩部被机械锁合在柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转，并且所述插头被设置成能够偏离于柄部的纵轴；和一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，其中，该超耐磨材料具有一种第一晶相和一种第二晶相，并且在一种超高温和超高压工艺下制造而成，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
72.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行摩擦搅拌焊接，包括有一个柄部，该柄部具有一柄部固连端部和一柄部工作端部，并且具有一个设置于柄部工作端部中的钻孔；一个大体呈圆柱形的肩部，该肩部具有一个设置于其上的一体式插头，其中，该肩部的直径略微大于所述钻孔的内径，并且该肩部被压配合在钻孔内，以便使得钻孔侧壁用作一个锁合套环；一种至少被置于所述肩部和插头一部分上的超耐磨材料，并且，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
73.如权利要求72中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个第一热流阻隔层，该热流阻隔层被置于所述肩部与柄部之间，从而对它们之间的热量流动进行控制。
74.如权利要求73中所述的工具，其特征在于所述热流阻隔层中还包括有钛合金。
75.如权利要求73中所述的工具，其特征在于该工具还包括一个机械锁合件，该机械锁合件位于所述柄部与肩部之间，并且该机械锁合件为燕尾榫、花键或者齿部。
76.一种摩擦搅拌焊接工具，该工具能够对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接，包括有一个具有一柄部、一肩部和一插头的摩擦搅拌焊接工具，其中，肩部被机械锁合在柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；一个被设置在所述柄部与肩部之间的热流阻隔层，从而对柄部与肩部之间的热量流动进行控制；以及一种至少被置于所述肩部和插头的一部分上的超耐磨材料，这种超耐磨材料具有一种第一晶相和一种第二晶相，并且在一种超高温和超高压工艺下制造而成，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金和超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
77.一种用于对金属基体复合材料(MMCs)、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行摩擦搅拌焊接的方法，包括下述步骤(1)制备一个具有一柄部、一肩部和一插头的摩擦搅拌焊接工具；(2)将所述肩部机械锁合在所述柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；以及(3)至少在所述肩部和插头的一部分上设置一种超耐磨材料，这种超耐磨材料具有一种第一晶相和一种第二晶相，并且在一种超高温和超高压工艺下制造而成，所述摩擦搅拌焊接工具能够对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行功能性摩擦搅拌焊接。
78.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括在所述肩部与柄部之间设置一个第一热流阻隔层，从而对肩部与柄部之间的热量流动进行控制，改善摩擦搅拌焊接部的性能。
79.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括减小所述肩部和柄部上的应力梯级，从而抑制在超耐磨材料中发生龟裂扩散。
80.如权利要求78中所述的方法，其特征在于该方法还包括(1)将所述柄部制成一个通常物体(a generally object)；并且(2)将所述肩部制成一个圆盘状物体，其中，所述插头是该肩部上的一个一体式组件，并且插头大体呈圆柱形，该插头与从肩部开始向外延伸的肩部纵轴同心且平行。
81.如权利要求80中所述的方法，其特征在于该方法还包括制备一个锁合套环，该锁合套环用于将所述肩部机械锁合在柄部上，从而防止肩部相对于柄部发生旋转。
82.如权利要求81中所述的方法，其特征在于该方法还包括在所述锁合套环与肩部和柄部上环绕设置有该锁合套环的部分之间设置一个第二热流阻隔层，从而对从肩部和柄部流向锁合套环的热量进行控制。
83.如权利要求82中所述的方法，其特征在于该方法还包括通过为所述热流阻隔层选取一种其导热性小于所述肩部、插头和锁合套环的材料，对所述摩擦搅拌焊接工具中的热量流动进行控制。
84.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括通过制备这样一种工具来形成一个经过改善的摩擦搅拌焊接部，所述工具能够在焊接过程中抑制材料粘附到摩擦搅拌焊接工具上。
85.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括对插头直径与插头长度的比率进行控制，从而控制焊接部的性能。
86.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括(1)制备一个柄部，该柄部具有一柄部工作端部和一柄部固连端部，其中，从柄部工作端部至柄部固连端部设置有一个柄部钻孔，并且该柄部钻孔与一根纵轴同心设置；(2)提供一个呈圆盘状的肩部，该肩部上带有一个与所述柄部钻孔相对齐的肩部穿孔，并且该肩部被连接在所述柄部上，该肩部被机械锁合在所述柄部上，从而防止该肩部相对于柄部发生旋转；并且(3)提供一个插头，该插头穿过所述肩部穿孔至少部分进入柄部钻孔内，其中，该插头的一部分被置于肩部穿孔的外侧，并且该插头被机械锁合在所述柄部上，从而防止该插头相对于柄部发生旋转。
87.如权利要求77中所述的方法，其特征在于该方法还包括在摩擦搅拌焊接过程中增大材料环绕所述插头的流动速率，从而改善焊接部的性能。
88.如权利要求87中所述的方法，其特征在于该方法还包括使得被焊接材料环绕所述插头形成瞬变流或者紊流。
89.如权利要求88中所述的方法，其特征在于该方法还包括在所述插头上制备至少一个表面形变部，从而环绕所述插头形成瞬变流或者紊流。
全文摘要
一种用于对MMCs、铁基合金、非铁合金以及超耐热合金进行摩擦搅拌焊接的探针，该探针(28)包括有一个柄部(30)、一个肩部(32)和一个插头(34)，该插头(34)穿过所述肩部并且被设置于所述柄部内，其中，所述插头和肩部至少包括有一个由超耐磨材料形成的涂层，所述插头和肩部被设计成能够减小应力梯级，环绕所述肩部与柄部的一个相对位置设置有一个套环(36)，并且通过在所述肩部与柄部之间设置一个第一热流阻隔层(38)和在所述套环与工具之间设置一个第二热流阻隔层(40)，引入了热学控制。
文档编号B23K20/12GK1654154SQ20051000370
公开日2005年8月17日 申请日期2001年5月8日 优先权日2000年5月8日
发明者特蕾西·W·纳尔逊, 卡尔·D·索伦森, 斯科特·帕克, 保罗·艾伦·费尔特 申请人:布莱阿姆青年大学, 斯科特·帕克, 保罗·艾伦·费尔特