專利名稱：同時進行冷卻的摩擦攪動焊接方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及權利要求1前序部分的摩擦攪動焊接方法。
在摩擦攪動焊接工藝(FSW-Prozess)中待連接材料的冷卻以公知的方式這樣地進行焊接過程完全在水下實施。在該方法中尤其產(chǎn)生一個缺點，即Al/Mg合金由于強的氧親合性及在冷卻水中包含的氧而不能高質(zhì)量地被焊接。此外在該冷卻技術中冷卻水在焊接過程中吸收了過多熱量，以致不能保證待連接的材料的足夠塑化?？赡芡ㄟ^例如氣孔在焊縫中由于材料傳送不充分而存在缺陷，這阻礙了技術上完好無缺的焊縫的形成。
對于Al/Mg合金可進行冷卻的摩擦攪動焊接的可能性具有很大的經(jīng)濟意義，尤其在大面積的板材接合方面，如在飛機制造中所遇到的。
公知的方法的另一缺點在于，當未進行冷卻處理時會產(chǎn)生較強的扭曲變形，它可能會造成被焊接物體需被再處理。
本發(fā)明的任務在于提供一種摩擦攪動焊接的方法，通過該方法可以焊接具有對氧高親合性的合金和/或可產(chǎn)生高塑化能量并可很好地控制焊接部位的熱量排出。
根據(jù)本發(fā)明該任務將通過權利要求1的特征來解決。本發(fā)明的進一步構型給出在從屬權利要求中。用于實施該方法的裝置給出在權利要求6中。
根據(jù)本發(fā)明的方案有利地使用一種組合的氣體及水的冷卻，其中在銷狀工具上水的輸入被限制在銷狀工具的后跟隨區(qū)域及側(cè)面區(qū)域中，及通過從前面作用的氣流阻止了在銷狀工具前側(cè)-在這里具有敞開的焊接部位-形成可能出現(xiàn)的水膜。
在此，根據(jù)本發(fā)明的方案不被限制在焊縫的確定位置上及也可應用在水平焊縫的產(chǎn)生。
通過組合的氣體及水的冷卻及另外通過氣體及水流量的相互協(xié)調(diào)可很好地控制焊接部位的熱量排出，因此可合乎目的地調(diào)節(jié)焊縫中的強度，及減小在熱影響區(qū)(WEZ)中通常會產(chǎn)生的強度下降(“局部強度下降”)，其方式是對于過程需要熱量的地方允許有熱量及對于過程而言熱量有害的地方排出熱量。
根據(jù)本發(fā)明的冷卻方式的另一優(yōu)點是，摩擦攪動焊接可與在前面運行的激光束、電弧或火焰加熱相組合，這在水槽中冷卻時是不可能的。
并且對于難變形材料，可實施由根據(jù)本發(fā)明的冷卻摩擦攪動焊接過程及在前面運行的激光束焊接過程組成的組合焊接過程。
以下將借助附圖來詳細地描述本發(fā)明的實施例。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪動焊接的方法，圖2表示用于水冷卻的冷卻環(huán)的仰視圖，及圖3概要表示在摩擦攪動焊接中的不同材料區(qū)。
在圖1所示的摩擦攪動焊接方法中，一個銷狀工具(Pin-Werkzeug)1由一個同時在進給方向運動的使用水的冷卻環(huán)及由一個同時在進給方向運動的使用空氣的氣體噴嘴3來冷卻。
銷狀工具1在繞其縱軸線5-按照轉(zhuǎn)動箭頭6-旋轉(zhuǎn)及壓力下用其銷4摩擦地進入到待焊接的部件7的表面中，及在維持轉(zhuǎn)動的情況下在方向箭頭11的方向上沿焊接接頭移動。銷狀工具1的縱軸線5向進給方向的反方向從垂直線向后傾斜一些。
銷狀工具1的上述運動及縱軸線5的傾斜是公知的摩擦攪動焊接的方法特征。
冷卻環(huán)2及氣體噴嘴3通過可調(diào)節(jié)的支架剛性地與銷狀工具1的進給滑板相連接。出于簡要表示起見，圖1中未示出進給滑板及支架。
在銷狀工具1的運動跟隨區(qū)域及相鄰的側(cè)面區(qū)域中將按照所示的方向箭頭8從同時移動的冷卻環(huán)2中流出冷卻水。同時移動的氣體噴嘴3按照所示方向箭頭9從前面對銷狀工具1及對從冷卻環(huán)2中流出的冷卻水吹風。
冷卻空氣的吹入除了由此達到的冷卻效果外還起到一個作用，即冷卻水不會由于毛細作用進入到向后傾斜的銷狀工具1與部件7之間的楔形間隙10中及由此支持了作為本發(fā)明方案基礎的意圖，即焊接部位上被摩擦及被加熱的材料保持無水。由此可阻止受摩擦的焊接材料被水中的氧腐蝕。
圖2表示冷卻環(huán)2的仰視圖，即向著與部件7相配的環(huán)表面看的圖，在該環(huán)表面中設有各個用于排出冷卻水的噴嘴12。冷卻水通過一個軟管13輸入到冷卻環(huán)2。
在該實施例中冷卻環(huán)2例如不是構造成圍繞銷狀工具1的閉合環(huán)，而該冷卻環(huán)具有向著氣體噴嘴3張開的U形構型，由此從前面吹入的冷卻空氣可以不受冷卻環(huán)2阻礙地流動到銷狀工具1上。
水噴嘴12的配置被限制在冷卻環(huán)的后區(qū)域上，這樣僅在銷狀工具的隨后區(qū)域及側(cè)面區(qū)域中將被冷卻水濕潤。
圖3中概要表示的在摩擦攪動焊接中的材料區(qū)為熱機械變形區(qū)(TMZ)14，熱影響區(qū)(WEZ)15及母體材料區(qū)16。在焊縫冷卻后在熱影響區(qū)在焊縫兩側(cè)通常留有不希望的強度下降。
在合金AA6013-T4及AA6013-T6的板材上應用根據(jù)本發(fā)明的方案時，這種強度的降低可被顯著地減小。板材的厚度為4mm及銷狀工具1的轉(zhuǎn)速與進給速度的比為3.5U/mm(圈/毫米)，但需要時可在約1U/mm至約10U/mm的界限中變化。
在根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪動焊接與一個前行激光束加熱的組合中-這在傳統(tǒng)的水槽中冷卻的情況下是不可能實施的，在摩擦攪動焊接時通過摩擦產(chǎn)生的熱量由于激光束的加熱被更合乎目的地增強及由此焊接部位的加熱可被調(diào)節(jié)得實現(xiàn)最佳焊縫。為此激光束源在進給方向上在銷狀工具1的前面以一定距離、如約2至3cm與銷狀工具剛性連接地被設置。
與上面在激光束加熱中所述的相同配置可在一種根據(jù)本發(fā)明的摩擦攪動焊接與一個前行激光束焊接過程的組合中使用，其中取代激光束加熱源用一個激光束焊接源與銷狀工具剛性地連接。在此，借助前行的激光束焊接過程形成第一焊縫，在該焊縫上由隨后的摩擦攪動焊接過程形成第二焊縫。
作為上述的使用冷卻水及冷卻空氣的變換，也可使用其它含水的冷卻劑及另外一種氣體用于根據(jù)本發(fā)明的設有冷卻環(huán)2及氣體噴嘴3的冷卻。對此可考慮所有在焊接技術中公知的冷卻液體及保護氣體。
權利要求
1.使用液體冷卻的摩擦攪動焊接方法，其特征在于冷卻液體由一個與銷狀工具(1)同時運動的冷卻環(huán)(2)位置限制地噴射在焊接部位的隨后跟隨區(qū)域及與銷狀工具(1)相鄰的側(cè)面區(qū)域中；及附加地由一個與銷狀工具同時運動的氣體噴嘴(3)從前面對著銷狀工具(1)及對著由冷卻環(huán)(2)排出的冷卻液體吹冷卻氣體。
2.根據(jù)權利要求1的摩擦攪動焊接方法，其特征在于使用水作為冷卻液體及使用空氣作為冷卻氣體。
3.根據(jù)權利要求1或2的摩擦攪動焊接方法，其特征在于對于焊接Al/Mg板材，銷狀工具(1)的轉(zhuǎn)速與進給速度的比值在約1U/mm至約10U/mm的范圍中。
4.根據(jù)權利要求1至3中一項的摩擦攪動焊接方法，其特征在于摩擦攪動焊接與在銷狀工具(1)前面運行的激光束加熱相組合。
5.根據(jù)權利要求1至3中一項的摩擦攪動焊接方法，其特征在于摩擦攪動焊接與在銷狀工具(1)前面運行的激光束焊接過程相組合。
6.用于實施根據(jù)權利要求1的具有組合的氣體及液體冷卻的摩擦攪動焊接方法的裝置，其特征在于同時運動的冷卻環(huán)(2)圍繞著銷狀工具(1)；及冷卻液體由冷卻環(huán)(2)的多個噴嘴(12)排出，這些噴嘴這樣地設置在冷卻環(huán)(2)上，即冷卻液的排出在位置上被限制在銷狀工具(1)的后跟隨區(qū)域及相鄰的側(cè)面區(qū)域中。
7.根據(jù)權利要求6的裝置，其特征在于冷卻環(huán)(2)向前敞開，以使得氣體噴嘴(3)無阻礙地將冷卻氣體從前面吹到銷狀工具(1)上。
全文摘要
本發(fā)明的任務在于提供一種摩擦攪動焊接的方法，通過該方法可以焊接具有對氧高親合性的合金和/或產(chǎn)生高塑化能量并可很好地控制焊接部位的熱量排出。根據(jù)本發(fā)明該任務被這樣解決冷卻液體由一個與銷狀工具(1)同時運動的冷卻環(huán)(2)位置限制地噴射在焊接部位的后跟隨區(qū)域及與銷狀工具(1)相鄰的側(cè)面區(qū)域中；及附加地由一個與銷狀工具同時運動的氣體噴嘴(3)從前面對著銷狀工具(1)及對著由冷卻環(huán)(2)排出的冷卻水吹冷卻氣體。
文檔編號B23K103/10GK1441710SQ01812640
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月19日 優(yōu)先權日2000年7月20日
發(fā)明者格哈德·舍格爾曼, 弗朗克·帕爾姆, 克勞斯·雷特爾 申請人:Eads德國有限公司