通過線性摩擦焊接獲得的改進的結(jié)構(gòu)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)線性摩擦焊接方法焊接金屬構(gòu)件。更確切地，本發(fā)明涉及將包括 具有細(xì)長晶粒的鍛制鋁構(gòu)件的兩個構(gòu)件焊接在一起。
【背景技術(shù)】
[0002] 線性摩擦焊接（LFW)是一種涉及到一個部件在另一個部件的面上以往復(fù)運動進 行受壓摩擦的焊接方法。往復(fù)運動產(chǎn)生使界面處的材料變軟的摩擦熱，并且結(jié)合法向力，將 此最初界面材料作為飛邊（flash)推出。此過程繼續(xù)直到足夠的材料（通常幾毫米）已經(jīng) "熔化焊穿（burn-off) "并且已經(jīng)作為飛邊被排出為止，隨之振蕩停止并且兩個構(gòu)件被迅速 地對齊并且維持最終"鍛造力"來鞏固接合部。機械加工或研磨可以隨后去除在LFW過程 期間產(chǎn)生的飛邊。此方法最近已經(jīng)引起人們的興趣來裝配鋁合金。
[0003] 專利申請US 2003/0168494描述了一種構(gòu)造用于在形成機械加工的結(jié)構(gòu)組件中 使用的預(yù)制件的方法，其中構(gòu)件被摩擦焊接。
[0004] 專利申請US 2007/0084905描述了一種使用摩擦焊接制作拼焊板的方法，其中結(jié) 構(gòu)構(gòu)件被設(shè)置有傾斜角。
[0005] 如在專利申請US 2006/054252中認(rèn)識到的，LFW的一個缺點是最終抗拉強度和延 伸率與母體金屬相比顯著下降。延展性的損失在某些情況下可以使得使用LFW裝配構(gòu)件不 切實際或甚至不可能。已經(jīng)提議使用進一步熱處理以恢復(fù)鋁合金在LFW過程期間損失的強 度。
[0006] 應(yīng)注意，對于焊接組件，延伸率是應(yīng)變在焊接區(qū)域之內(nèi)如何局部分布的至少部分 表示。在焊接區(qū)域中機械特性受影響，當(dāng)延伸率增加時，可能意味著焊接區(qū)域更小。
[0007] 根據(jù)結(jié)構(gòu)組件的大小和形狀，或許不可能實現(xiàn)焊接后熱處理；結(jié)構(gòu)組件在某些情 況下必須在被焊接和被進一步機械加工時才被使用。即使當(dāng)實現(xiàn)焊接后熱處理時，進一步 提高焊接接合部的機械特性將是有用的。
[0008] 本發(fā)明解決的問題是提高通過線性摩擦焊接獲得的焊接接合部的機械特性。尤其 是，提高焊接組件的延伸率是有利的，其如解釋的涉及減小受焊接影響的區(qū)域的擴展。還需 要改善焊接組件的強度特性和疲勞特性之間的平衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的一個目的是一種通過沿著平坦表面焊接而形成物品的方法，該物品包 括：至少第一金屬構(gòu)件（10)和至少第二金屬構(gòu)件（11)，該第一金屬構(gòu)件為具有在縱向方向 (L10)上的細(xì)長晶粒的鋁合金鍛制產(chǎn)品的形式，其根據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的 各向異性指數(shù)至少是4和/或根據(jù)ASTM E112在平面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是 1.5,其中
[0010] -該第一金屬構(gòu)件（10)被定位成與該第二金屬構(gòu)件接觸，使得細(xì)長晶粒的所述縱 向方向（L10)被大體上定位在焊接平面之內(nèi)，
[0011] -該物品通過線性摩擦焊接形成。
【附圖說明】
[0012] 圖1是描述線性摩擦焊接方法的總圖。
[0013] 圖2例示根據(jù)用于限定晶粒定向的ASTM E112的標(biāo)記法。
[0014] 圖3例示用于實施例的標(biāo)記法。
[0015] 圖4例示本發(fā)明的一個實施方案。
[0016] 圖5例不本發(fā)明的一個實施方案。
[0017] 圖6例示對于實施例1在強度和延伸率之間的平衡。
[0018] 圖7例示對于實施例2在強度和延伸率之間的平衡。
【具體實施方式】
[0019] 合金是按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的鋁業(yè)協(xié)會（AA)的規(guī)定命名的。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 515中表明了冶金狀態(tài)的定義。
[0020] 除非另有規(guī)定，通過根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 6892-1的抗拉測試確定靜態(tài)機械特性，或者 說極限抗拉強度UTS、0. 2%偏移抗拉屈服應(yīng)力TYS以及斷裂延伸率E，通過標(biāo)準(zhǔn)EN 485-1 限定測試的采樣和方向。對于焊接組件，使用30mm的計量長度計算TYS和E。
[0021] 在以下參數(shù)下根據(jù)ASTM E466-07針對測試樣本FPE 5A Kt 1. 032(具有3mm厚度 的平坦樣本）執(zhí)行疲勞測試：振蕩頻率：f = 50Hz，振蕩最大應(yīng)力：σ = 275MPa，最小應(yīng)力/ 最大應(yīng)力比：R = 0. 1，允許的最大循環(huán)數(shù)目：N = 1000000循環(huán)。
[0022] 圖1描述了線性摩擦焊接操作。兩個構(gòu)件（10)和（11)并排放置。一個構(gòu)件被放 置成沿著振蕩方向振蕩運動并且然后使所述兩個構(gòu)件接觸。構(gòu)件（10)(其例如是鍛造構(gòu) 件）被固定，然而構(gòu)件（11)(其則是振蕩構(gòu)件）正沿著振蕩方向（12)振蕩。
[0023] 法向力逐漸增加至設(shè)定摩擦壓力，振蕩的頻率和幅度也被設(shè)定。軟材料層不再能 夠支撐法向力并且被擠壓成"飛邊"。界面處的材料在此階段內(nèi)不再在滑動摩擦下。
[0024] 振蕩運動在已經(jīng)達到如下期望的參數(shù)之后減?。喝刍复ㄓ糜谳S向縮短限制值 的LFW參數(shù)，單位mm)、絕對位置（單位mm)、時間（單位s)或者這三者的結(jié)合。兩個部件 被對齊，法向力增加高達鍛造壓力參數(shù)的值。此階段被稱為減速階段。最后，鍛造階段允許 所得接合部冷卻，同時維持軸向壓縮力一一鍛造壓力。
[0025] 對于給定的金屬合金，在給定的冶金回火中，焊接參數(shù)可以被優(yōu)化以在使用可能 的最快焊接速度的同時獲得其視覺質(zhì)量令人滿意且其機械強度和/或延伸率被最大化的 焊接。焊接參數(shù)基本上由振蕩幅度和頻率、摩擦壓力、鍛造壓力以及熔化焊穿（_)限定。
[0026] 本發(fā)明涉及至少第一金屬構(gòu)件（10)和至少第二金屬構(gòu)件（11)的線性摩擦焊接， 該第一金屬構(gòu)件為具有在縱向方向（L10)上的細(xì)長晶粒的鋁合金鍛制產(chǎn)品的形式，其中根 據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是4和/或根據(jù)ASTM E112在平面 定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是1. 5。
[0027] 圖2示出鋁合金鍛制構(gòu)件（10)的晶粒定向，具有根據(jù)圖7的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E112的符 號。對于縱向定向的表面4晶粒的縱向方向是沿著測試線1(0° );或者對于平面定向的 表面/，:晶粒的縱向方向是沿著測試線P(〇° )。對于縱向定向的表面4晶粒的橫向方向是 沿著測試線1(90° );或者對于橫向定向的表面*，晶粒的橫向方向是沿著測試線t(90° )。 對于橫向定向的表面4晶粒的平面方向是沿著測試線t(0° );或者對于平面定向的表面 /，晶粒的平面方向是沿著測試線P(90° )。為了方便起見，在本申請中，晶粒的縱向方 向1(0° )、p(0° )也被稱為L，橫向方向1(90° )、t(90° )也被稱為T，并且平面方向 t(0° )、p(90° )也被稱為P，用附加數(shù)字表示所考慮的構(gòu)件。例如，L10是第一構(gòu)件（10) 的縱向方向。
[0028] 典型地，鋁合金鍛制產(chǎn)品是已經(jīng)被充分加工以獲得細(xì)長晶粒的乳制的、鍛造的或 擠壓的產(chǎn)品，其中根據(jù)ASTM E112在縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是4和/或根 據(jù)ASTM E112在平面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是1.5。優(yōu)選地，根據(jù)ASTM E112在 縱向定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是6或者甚至至少是8,和/或根據(jù)ASTM E112在平 面定向的表面中的各向異性指數(shù)至少是2或者甚至至少是4。
[0029] 本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在LFW期間使用特定晶粒定向，可顯著提高焊接的機械 特性。通常，通過使細(xì)長晶粒的縱向方向大體上垂直于焊接平面來焊接金屬構(gòu)件，因為構(gòu)件 的機械特性在縱向方向上較高并且預(yù)期沿著此方向加載焊接物品是有益的。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)至少第一金屬構(gòu)件（10)的細(xì)長晶粒的縱向方向（L10)被大體上定 位在焊接平面之內(nèi)時，如例如圖4中示出的，獲得提高的焊接性能。出人意料地，LFW期間 最經(jīng)典的晶粒定向，對于此定向細(xì)長晶粒的方向大體上垂直于焊接平面，提供比本發(fā)明更 低的強度和/或延伸率。在本發(fā)明中，"大體上"意味著與嚴(yán)格地"在…之內(nèi)"條件或"垂直" 條件相比較存在數(shù)度的差別，典型地小于10度或甚至小于5度的差別，不顯著影響結(jié)果。