專利名稱：在摩擦攪拌焊過程中利用可修改的工具控制參數(shù)控制工具溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及摩擦攪拌焊(FSW)以及包括摩擦攪拌處理(FSP)、摩擦攪拌混 合(FSM)和摩擦攪拌點(diǎn)焊(FSSW)的所有其變型(下文中統(tǒng)稱為“摩擦攪拌焊”)。具體地， 本發(fā)明涉及高溫材料的摩擦攪拌焊的獨(dú)有問題。用于諸如鋁之類的低溫材料的摩擦攪拌焊 的控制和處理標(biāo)準(zhǔn)不足以管控在高熔融溫度材料的摩擦攪拌焊期間在工具周圍的關(guān)鍵和 動(dòng)態(tài)的過程。
背景技術(shù)：
摩擦攪拌焊是已經(jīng)被開發(fā)用于焊接金屬和金屬合金的技術(shù)。FSW處理通常涉及由 旋轉(zhuǎn)的攪拌銷在接合處的任一側(cè)接合兩個(gè)鄰接工件材料。施加力以便迫使銷和工件在一 起，并且由銷、肩部和工件之間的相互作用造成的摩擦熱導(dǎo)致接合處任一側(cè)的材料的塑化。 銷和肩部的組合或“FSW末端”沿接合處橫過，在其前進(jìn)的同時(shí)塑化材料，并且留在前進(jìn)的 FSff末端的尾流中的塑化的材料冷卻以形成焊縫。FSW末端也可以是不帶有銷而僅帶有肩 部的工具，用于通過FSP來處理另一材料。圖1是被用于摩擦攪拌焊的工具的透視圖，其特征在于，總體上筒狀的工具10具 有桿8、肩部12和從肩部向外延伸的銷14。銷14抵靠工件16轉(zhuǎn)動(dòng)直至產(chǎn)生足夠的熱量，在 該點(diǎn)，工具的銷插入塑化的工件材料內(nèi)。通常，銷14插入工件16內(nèi)直至達(dá)到肩部12，其防 止進(jìn)一步穿入工件。工件16通常是兩塊片材或板材，它們?cè)诮雍暇€18處對(duì)接在一起。在 該示例中，銷14在接合線18處插入工件16內(nèi)。圖2是工具10的橫截面圖。軸環(huán)22被示出夾緊桿8和FSW末端M，其中，F(xiàn)SW末 端包括肩部12和銷14。當(dāng)工具10被轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，力矩從轉(zhuǎn)動(dòng)的桿8傳遞至軸環(huán)22然后到FSW 末端對(duì)。當(dāng)工具10被用在諸如鋼之類的高熔融溫度材料的工件上時(shí)，當(dāng)FSW末端M轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)橫過被摩擦熱軟化的鋼時(shí)，其在很多情況下暴露到超過1000攝氏度的溫度下。參照?qǐng)D1，銷14抵靠工件材料16的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的摩擦熱使工件材料在未達(dá)到熔 點(diǎn)的情況下就被軟化。沿接合線18橫向地移動(dòng)工具10，由此當(dāng)塑化的材料圍繞銷從前沿向 后沿流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生焊縫。與使用其它傳統(tǒng)技術(shù)的焊接相比，結(jié)果是在接合線18處產(chǎn)生與工件 材料16本身通常不能區(qū)分的固相結(jié)合20。由于發(fā)生了混合，所以也可以使該固相結(jié)合20 優(yōu)于原工件材料16。此外，如果工件材料由不同的材料構(gòu)成，所得到的混合材料還可能優(yōu)于 兩種原工件材料中的任何一種?？梢杂^察到，當(dāng)肩部12與工件的表面接觸時(shí)，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生另外的摩擦熱，該摩擦 熱塑化在嵌入的銷14周圍的較大筒狀柱材。肩部12提供了頂鍛力，該頂鍛力包括由旋轉(zhuǎn)的工具銷14造成的向上的金屬流。在摩擦攪拌焊過程中，待焊接的區(qū)域和工具10相對(duì)彼此移動(dòng)，使得工具橫過期望 長(zhǎng)度的焊縫接合處。旋轉(zhuǎn)的摩擦攪拌焊工具10提供連續(xù)的熱作業(yè)動(dòng)作，其在沿工作材料16 橫向地移動(dòng)時(shí)塑化在窄區(qū)域內(nèi)的金屬，同時(shí)將金屬?gòu)匿N14的前沿向它的后沿輸送。當(dāng)焊接 區(qū)域冷卻時(shí)，由于在工具10通過時(shí)不產(chǎn)生液體，所以通常不存在固化。通常情況下，所得到 的焊接是在焊接區(qū)中形成的無缺陷的、再結(jié)晶的、細(xì)晶粒的微觀結(jié)構(gòu)，但不會(huì)總是這樣。行進(jìn)速度通常為10到500mm/min，并伴隨有200到2000rpm (每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))的旋轉(zhuǎn) 速度。所達(dá)到的溫度通常接近但是低于固相線溫度。摩擦攪拌焊參數(shù)是材料的熱性能、高 溫流動(dòng)應(yīng)力和穿入深度的函數(shù)。摩擦攪拌焊與熔焊相比具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1)不存在填料金屬，幻過程能夠完全 自動(dòng)化，從而對(duì)操作者的技術(shù)水平的要求較低，3)由于所有的受熱發(fā)生在工具/工件的界 面處，所以能量輸入效率高，4)由于FSW的固態(tài)特性和極大的可重復(fù)性，所以只需最少的焊 后檢查，5)FSW允許存在界面間隙并且因此所要求的焊前準(zhǔn)備很少，6)通常不存在需要去 除的焊接飛濺，7)焊后表面的光潔可格外地光滑，具有很少的或者沒有毛刺，8)通常不存 在氣孔和氧污染，9)周圍材料不變形或變形很小，10)由于不存在有害的排放物，所以無需 對(duì)操作者進(jìn)行保護(hù)，以及11)通常提高了焊接性能。在本文中，摩擦攪拌焊將被認(rèn)為包括可 用摩擦攪拌焊工具執(zhí)行的所有過程，包括但不限于摩擦攪拌處理、摩擦攪拌點(diǎn)焊和摩擦攪 拌混合。先前的專利文獻(xiàn)已經(jīng)教導(dǎo)了能夠?qū)χ氨徽J(rèn)為在功能上不可焊接的材料執(zhí)行摩 擦攪拌焊的益處。這些材料中的一些是非熔合焊接材料或根本上很難焊接。這些材料包括 例如，金屬基復(fù)合物、諸如鋼和不銹鋼之類的鐵合金以及非鐵材料。也能夠利用摩擦攪拌焊 的優(yōu)點(diǎn)的另一類材料是超級(jí)合金。超級(jí)合金可以是具有較高熔融溫度的青銅或鋁材料，并 且也可以具有混入其中的其它元素。超級(jí)合金的一些例子是鎳、鐵-鎳以及通常在1000華 氏度以上的溫度下使用的鈷基合金。在超級(jí)合金中通?？梢园l(fā)現(xiàn)的添加元素包括，但是不 限于，鉻、鉬、鎢、鋁、鈦、鈮、鉭以及錸。應(yīng)當(dāng)指出，鈦也是用于摩擦攪拌焊的理想的材料。鈦是非鐵材料，但是其比其它非 鐵材料具有高的熔點(diǎn)。先前的專利教導(dǎo)用于高溫材料的摩擦攪拌焊工具是由具有比將被摩擦攪拌焊接 的材料更高熔融溫度的一種或多種材料制成。在一些實(shí)施方式中，在工具中使用超硬磨料， 有時(shí)作為涂層。本發(fā)明的實(shí)施方式大致涉及功能上不可焊接的材料，以及超級(jí)合金，并且在本文 的下文中，它們被稱作“高熔融溫度”材料。然而，當(dāng)使用低熔融溫度材料時(shí)，此處所教導(dǎo)的 工具也能夠被用在低的粗糙的摩擦攪拌焊環(huán)境中。本發(fā)明對(duì)于在許多應(yīng)用中使用的工具都有益，但在執(zhí)行高熔融溫度材料的摩擦攪 拌處理時(shí)最特別。高溫摩擦攪拌焊接工具與需要液相向固相轉(zhuǎn)變的材料的形成相關(guān)聯(lián)的問題相結(jié)合，在摩擦攪拌焊技術(shù)方 面近來的進(jìn)步已經(jīng)導(dǎo)致下述工具，即，可被用于在摩擦攪拌焊的固態(tài)連接過程中將諸如鋼 和不銹鋼之類的高熔融溫度材料連接在一起。
當(dāng)使用該工具時(shí)，在各種材料的摩擦攪拌焊中有效。當(dāng)使用除聚晶立方氮化硼 (PCBN)和聚晶金剛石(PCD)之外的多種工具末端材料時(shí)，該工具設(shè)計(jì)也有效。這些材料中 的一些包括諸如鎢、錸、銥、鈦、鉬等耐熔物。如先前所解釋的，摩擦攪拌焊是固態(tài)接合處理，其使用旋轉(zhuǎn)的工具，以當(dāng)工具橫過 彼此鄰接定位的兩個(gè)金屬體之間的接合線時(shí)產(chǎn)生摩擦熱。用于接合的該方法比熔融和固化 被接合的本體的熔焊接處理提供更優(yōu)良的接合?，F(xiàn)在，F(xiàn)SW在包括造船、油氣和航空航天的 多個(gè)行業(yè)中被用于商業(yè)上接合材料。用于接合高熔融溫度材料的摩擦攪拌焊設(shè)備具有兩個(gè)主要控制參數(shù)軸向或Z軸 負(fù)荷以及軸向或Z軸位置。在FSW處理期間，這兩個(gè)控制參數(shù)和工具橫過速度以及工具旋 轉(zhuǎn)速度一起使用，以生成摩擦攪拌焊接合。通常，所有這四個(gè)控制參數(shù)(Z軸負(fù)荷、Z軸位 置、工具橫過速度和工具旋轉(zhuǎn)速度)彼此獨(dú)立并且由編程的閉合循環(huán)反饋算法控制到對(duì)于 每個(gè)控制參數(shù)的指定設(shè)定點(diǎn)。此時(shí)，在FSW生產(chǎn)中的大部分的應(yīng)用由鋁摩擦攪拌焊接部件 構(gòu)成，在該情形中，在進(jìn)行FSW處理期間，通常需要操作者的干預(yù)。在大部分的鋁應(yīng)用中， FSW是比較寬容的處理，其中，鋁的流動(dòng)和延展性較高，并且由于鋁的高熱傳導(dǎo)率，在FSW過 程期間產(chǎn)生的熱被快速地傳遞離開工具路徑。當(dāng)FSW擴(kuò)展至高強(qiáng)度、高熔融溫度材料的應(yīng)用時(shí)，產(chǎn)生無缺陷的可靠焊接接合的 處理范圍比鋁要小得多。該較小的處理范圍歸因于圍繞工具的較陡的溫度梯度、被接合的 材料的相對(duì)低的熱傳導(dǎo)率、高的流動(dòng)應(yīng)力和/或較低的材料延展性。較陡的溫度梯度是低的材料熱傳導(dǎo)率與塑化圍繞工具的材料流所需要的較高的 溫度相結(jié)合的結(jié)果。在鋁中，熱傳遞主要是通過材料，而在諸如鋼之類的高熔融溫度的材料 中，熱流過材料、材料的背側(cè)，從表面和界面內(nèi)部地折回并通過工具。另外，在FSW期間，施 加于工具的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷極大，而且精確的過程控制需要不僅能防止工具由于磨損或 斷裂引起的失效，而且要產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的并且一致的接合特性。用于諸如鋁之類的FSW低溫 材料的控制和處理標(biāo)準(zhǔn)不足以在高熔融溫度材料的FSW期間管控圍繞工具的關(guān)鍵和動(dòng)態(tài) 的過程。比現(xiàn)有技術(shù)有利的是創(chuàng)造一種系統(tǒng)，其用于管控高熔融溫度材料的摩擦攪拌焊的 控制參數(shù)和動(dòng)態(tài)過程，以由此提高工具的壽命和焊接的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面是提供新的控制變量，該控制變量與依賴于其它變量的控制標(biāo)準(zhǔn) 相結(jié)合。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，引入新的控制變量，當(dāng)其與依賴于其它變量的先前 控制標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合時(shí)導(dǎo)致控制程序，所述控制程序可產(chǎn)生優(yōu)良的焊接同時(shí)使在FSW工具上的 磨損最小化，其中，在每個(gè)重復(fù)的焊接順序期間，工具在指定的控制窗口內(nèi)重復(fù)地經(jīng)歷相同 的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，這是因?yàn)榱鲃?dòng)應(yīng)力和工具負(fù)荷是由溫度驅(qū)動(dòng)，相關(guān)的控制循環(huán)可解 決材料的不同和在摩擦攪拌焊的整個(gè)過程中在不同位置以不同的速率傳遞的熱量不同的 問題。通過對(duì)下述接合附圖的詳細(xì)說明的理解，本發(fā)明的這些和其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn) 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得更加清楚。


圖1是如在現(xiàn)有技術(shù)中教導(dǎo)的用于摩擦攪拌焊的工具的透視圖。圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的FSW末端、鎖定軸環(huán)和桿的剖切圖。圖3是摩擦攪拌焊接機(jī)的部件的示意圖。圖4是通過使用嘗試并保持控制變量的指定值的嵌套控制循環(huán)來控制摩擦攪拌 焊處理的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在，將參照附圖，在附圖中本發(fā)明的實(shí)施方式的各元件將被給定標(biāo)記，并且其中 將討論本發(fā)明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制造和使用這些實(shí)施方式。應(yīng)該理解，下述說明 僅是本發(fā)明的原理的示例，不應(yīng)該被視為使隨后的權(quán)利要求范圍變窄。在第一實(shí)施方式中，本發(fā)明被設(shè)計(jì)成當(dāng)摩擦攪拌焊材料比先前討論的青銅和鋁具 有高的熔融溫度時(shí)，產(chǎn)生優(yōu)良的焊接和提高的工具壽命。該類材料包括但不限于，金屬基復(fù) 合物、諸如鋼和不銹鋼之類的鐵合金、非鐵材料、超級(jí)合金、鈦、通常用于表面硬化的鈷合金 以及空氣硬化鋼或高速鋼。本發(fā)明包括新增加的控制變量，該新的控制變量與依賴于其它變量的控制標(biāo)準(zhǔn)相 結(jié)合。為了理解本發(fā)明如何操作，示出摩擦攪拌焊接機(jī)的部件的簡(jiǎn)化示圖比較有益。摩擦 攪拌焊接機(jī)通常包括框架30、聯(lián)接于框架的工具保持器32以及布置在工具保持器下方的 用于支承工件材料的工作臺(tái)34。摩擦攪拌焊工具10布置在工具保持器32中。工具保持器 32操縱工具10進(jìn)入預(yù)期的位置，并且向工具施加旋轉(zhuǎn)速度，使得工具能夠被插入工件材料 內(nèi)。工具保持器32和工作臺(tái)34提供了工具10壓靠在安裝于工作臺(tái)34上的工件材料的能 力。工具保持器32和工作臺(tái)34在用于操作摩擦攪拌焊接機(jī)的控制程序的指示下操 作。理想地，該控制程序能夠在最少操作者干預(yù)或者沒有操作者干預(yù)的情況下執(zhí)行摩擦攪 拌焊。因此，分析摩擦攪拌焊過程，以確定什么輸出變量能夠被監(jiān)控并用作對(duì)控制程序的反 饋，以便控制程序做出調(diào)整，使得機(jī)器能夠在最少使用者干預(yù)的情況下操作。做出這些調(diào) 整，以產(chǎn)生優(yōu)良的焊接，產(chǎn)生可重復(fù)的焊接并且使工具的壽命最大化。確定工具溫度可以作為輸出變量被監(jiān)控，以確定何時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)處理。在該情 形下，穩(wěn)定狀態(tài)處理是摩擦攪拌焊工具執(zhí)行焊接同時(shí)維持恒定的或接近恒定溫度的處理， 下文中其被稱作工具10的溫度設(shè)定點(diǎn)。能夠以本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的許多方式監(jiān)控工具34的溫度設(shè)定點(diǎn)。例如，能夠?qū)?溫度熱電偶設(shè)置在工具10內(nèi)。確定溫度的方法不是本發(fā)明的方面，但是將假定溫度被正確 地且實(shí)時(shí)地確定。工具溫度直接影響到本發(fā)明的所有預(yù)期目標(biāo)。工具溫度與工具上的負(fù)荷、接合處 的缺陷和被接合工件材料中的流動(dòng)應(yīng)力直接相關(guān)。摩擦攪拌焊在焊接過程中提供實(shí)時(shí)溫度 的能力是獨(dú)一無二的。計(jì)算機(jī)控制程序被用于控制摩擦攪拌焊接機(jī)的操作?？刂瞥绦蚶没陬A(yù)期工具 溫度設(shè)定點(diǎn)的嵌套控制循環(huán)。換言之，通過在控制程序中創(chuàng)建嵌套控制循環(huán)，使控制程序修改控制參數(shù)，直至控制參數(shù)不能再被修改為止。例如，控制程序達(dá)到用于控制參數(shù)的值，該 值不應(yīng)該被超過。因此，當(dāng)控制參數(shù)不能再被調(diào)節(jié)時(shí)，控制程序?qū)⒁浦寥阅軌虮恍薷牡南乱?控制參數(shù)?？刂瞥绦蛉缓髮?duì)該控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而再次嘗試并使工具溫度設(shè)定點(diǎn)達(dá)到 預(yù)期值。如果修改該新的控制參數(shù)成功，則控制程序不移至不同的控制參數(shù)。如果不成功， 控制程序?qū)⑿薷目刂茀?shù)，直至達(dá)到另一控制參數(shù)邊界為止。只要存在還未被調(diào)節(jié)的控制參數(shù)，從控制參數(shù)移至控制參數(shù)的處理就將繼續(xù)，直 至達(dá)到控制參數(shù)的邊界，或最終達(dá)到工具溫度設(shè)定點(diǎn)。控制程序因此使用嵌套控制循環(huán)，每 個(gè)循環(huán)代表不同的控制參數(shù)。提供圖4作為當(dāng)在任何給定時(shí)間可對(duì)單個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)控制程序執(zhí)行過 程的概要。開始之后，在項(xiàng)40中，控制程序確定工具是否在預(yù)期設(shè)定點(diǎn)溫度。如果是，控制 程序循環(huán)返回相同的步驟并繼續(xù)詢問摩擦攪拌焊接機(jī)工具溫度是否在設(shè)定點(diǎn)。如果工具溫 度已偏離工具溫度設(shè)定點(diǎn)，則控制程序移至項(xiàng)42。在項(xiàng)42中，控制程序修改控制參數(shù)N (因 為這是第一次通過循環(huán)，所以在該情形中其為第一控制參數(shù))。在項(xiàng)44處的下一步驟是確定控制參數(shù)是否已經(jīng)被修改使得它的值已達(dá)到最小或 最大值。如果尚未達(dá)到最小或最大值，則控制程序返回項(xiàng)40，以確定工具是否已經(jīng)回到設(shè)定 點(diǎn)溫度。如果沒有，在項(xiàng)42中再次對(duì)該控制參數(shù)進(jìn)行修改，則控制程序在項(xiàng)44中確定是否 已經(jīng)達(dá)到邊界值，如果已達(dá)到邊界值，則不能再對(duì)該控制參數(shù)進(jìn)行修改。下一步驟是進(jìn)行到 項(xiàng)46并增加下一待修改的控制參數(shù)?？刂瞥绦蛉缓蠓祷刂另?xiàng)40并再次確定工具是否已經(jīng) 回到設(shè)定點(diǎn)溫度。連續(xù)執(zhí)行上述方法，直至實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的工具溫度，已完成摩擦攪拌焊過程，或者 已經(jīng)對(duì)所有的控制參數(shù)進(jìn)行了修改直至達(dá)到邊界。在該點(diǎn)，控制程序可自動(dòng)停止摩擦攪拌 焊操作，或允許使用者確定摩擦攪拌焊是否應(yīng)該推進(jìn)。嵌套控制循環(huán)可使用任意數(shù)量的控制參數(shù)，它們可通過摩擦攪拌焊接機(jī)的控制程 序被修改。例如，為了修改工具溫度設(shè)定點(diǎn)，可以修改Z軸負(fù)荷、Z軸位置、橫過速度、橫過 負(fù)荷和工具RPM (每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))或旋轉(zhuǎn)速度的控制參數(shù)。然而，其它摩擦攪拌焊接機(jī)可能夠 控制摩擦攪拌焊處理的其它方面。因此，所有可控制的參數(shù)都應(yīng)該被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍 之內(nèi)。本發(fā)明的另一方面是可通過控制程序修改控制參數(shù)的次序。為了獲得預(yù)期的摩擦 攪拌焊效果，使用者可選擇使用控制參數(shù)的次序?？刂瞥绦蜻€可被修改成同時(shí)控制多于一個(gè)的控制參數(shù)。因此，理想地，可同時(shí)修改 兩個(gè)控制參數(shù)。一旦這些參數(shù)中的一個(gè)已經(jīng)達(dá)到參數(shù)邊界，本發(fā)明就可停止修改這兩個(gè)控 制參數(shù)并移至另一嵌套控制循環(huán)，或可繼續(xù)修改未達(dá)到參數(shù)邊界的控制參數(shù)。一旦控制程序已經(jīng)確定在當(dāng)前的嵌套控制循環(huán)內(nèi)必須停止修改兩個(gè)控制參數(shù)，控 制程序便移至下一嵌套控制循環(huán)。該下一嵌套控制循環(huán)又可以包括單個(gè)或多個(gè)控制參數(shù)的 修改。需記住的要點(diǎn)是，本發(fā)明不限定可被控制程序修改的控制參數(shù)的總數(shù)和可被同時(shí)修 改的控制參數(shù)的總數(shù)。下面是如何使用總共四個(gè)嵌套控制循環(huán)來實(shí)施本發(fā)明的第一實(shí)施方式的示例，其 中，每個(gè)嵌套控制循環(huán)每次能夠修改單個(gè)控制參數(shù)。工具溫度設(shè)定點(diǎn)被指定的值為750°C。 創(chuàng)建最大和最小的可容許的工具溫度設(shè)定點(diǎn)。工具溫度設(shè)定點(diǎn)不需要與邊界值等距。然而，對(duì)于該示例，工具溫度設(shè)定點(diǎn)是+/-5°C。應(yīng)當(dāng)記住，在該示例中使用的工具溫度設(shè)定點(diǎn) 僅為說明的目的，而不應(yīng)該被認(rèn)為是限定性的。因此，工具溫度設(shè)定點(diǎn)邊界可大于和小于所 給定的值。因此，如果工具溫度開始增加，控制程序?qū)刂茀?shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使工具的溫度 回到750°C。對(duì)于該示例，控制程序?qū)⒁薷牡牡谝豢刂茀?shù)是工具RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))。控制程序?qū)⒈唤o定可用來修改工具RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))的設(shè)定點(diǎn)范圍。例如，可以 給定控制程序修改工具RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))+/-25RPM(轉(zhuǎn)/分)的能力。在對(duì)工具的RPM(每 分鐘轉(zhuǎn)數(shù))進(jìn)行修改的同時(shí)，監(jiān)控工具溫度，以確定其是否在期望的方向上改變。然而，如 果工具RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))達(dá)到最大設(shè)定點(diǎn)，則控制程序?qū)⒁浦料乱幌嚓P(guān)變量或控制參數(shù)， 以致實(shí)現(xiàn)在工具溫度方面期望的改變。在該示例中，控制程序接下來使用橫過速度。橫過速度將在橫過設(shè)定點(diǎn)范圍內(nèi)增 加或減小直至達(dá)到最大或最小設(shè)定點(diǎn)，或者工具溫度回到工具溫度設(shè)定點(diǎn)。如果工具溫度繼續(xù)升高，則將降低Z軸負(fù)荷。如果對(duì)于Z軸負(fù)荷達(dá)到邊界值之后， 控制程序仍未達(dá)到期望的工具溫度設(shè)定點(diǎn)，則控制程序?qū)⒁浦磷詈蟮那短卓刂蒲h(huán)，其中， 可以調(diào)節(jié)最后的控制參數(shù)。因此，控制程序?qū)⒃谧钚『妥畲笤O(shè)定點(diǎn)內(nèi)調(diào)節(jié)Z軸位置。所期望的是，在摩擦攪拌焊接機(jī)操作期間，在狀態(tài)窗口中顯示所有設(shè)定點(diǎn)，該窗口 能夠示出所有控制參數(shù)和用于每個(gè)控制參數(shù)的最小和最大設(shè)定點(diǎn)。在本發(fā)明的替代性實(shí)施方式中，在運(yùn)行中修改用于每個(gè)控制參數(shù)的最小和最大設(shè) 定點(diǎn)。對(duì)于操作者，這樣做可能是必要的，以由此超馳控制程序并且允許超過邊界，或者由 于還未達(dá)到邊界而修改邊界的值使得控制程序仍正常地運(yùn)行。在另一替代性實(shí)施方式中，所期望的是，在使用控制程序的同時(shí)可以改變嵌套控 制參數(shù)的次序。其將允許使用者修改最有利的控制參數(shù)?？刂瞥绦虻膶?shí)施已導(dǎo)致摩擦攪拌焊的處理成為沒有操作者干預(yù)或帶有最少的操 作者干預(yù)的“按鈕式”操作。在每個(gè)重復(fù)的焊接順序期間工具在指定的控制窗口內(nèi)經(jīng)歷相 同的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，并且焊接質(zhì)量得到了提高。分析已經(jīng)顯示，流動(dòng)應(yīng)力和工具負(fù)荷由 工具溫度驅(qū)動(dòng)，并且相關(guān)的控制循環(huán)可解決工件材料的不同以及在焊接的整個(gè)過程中在不 同位置以不同的速率傳遞的熱量不同的問題。對(duì)于不同的工件材料來說，控制程序修改控制參數(shù)的次序通常將不同?？刂茀?shù) 的邊界和控制參數(shù)被應(yīng)用的次序的目錄因此成為操作者可使用的數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。因此， 本發(fā)明未闡明特定的控制參數(shù)次序。因此按著通過試驗(yàn)確定的最有利次序應(yīng)用嵌套控制循 環(huán)。然而，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)的工具溫度，還給予操作者超馳任何當(dāng)前的控制參數(shù)值和應(yīng)用 控制參數(shù)次序的自由。本發(fā)明的附加控制特征是考慮工具溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間。其被稱作在 焊接順序初始的預(yù)測(cè)溫度控制并且在工具達(dá)到穩(wěn)定或者接近穩(wěn)定狀態(tài)條件之前被使用。預(yù) 測(cè)溫度控制還可被用于在FSW期間確定工具響應(yīng)于溫度改變所需要的時(shí)間。因此可為工具 本身確定溫度分布圖并且在用于特定的工具的熱電容的編程中解決“延遲”時(shí)間的問題。本發(fā)明的概念不僅適用于FSW而且適用于使用旋轉(zhuǎn)工具修改材料性能的任何其 它應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)理解，上述配置和實(shí)施方式僅是本發(fā)明原理應(yīng)用的說明。在不偏離本發(fā)明的 精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作出許多改型和替代性配置。所附權(quán)利要求用于覆蓋這些改型和配置。
權(quán)利要求
1.一種用于修改摩擦攪拌焊接機(jī)的控制參數(shù)的方法，所述摩擦攪拌焊接機(jī)與高熔融溫 度材料一起使用并且通過控制程序操作，所述控制程序包括下述步驟1)確定用在高熔融溫度工件材料上的工具溫度；2)將所述工具溫度與工具溫度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較；3)如果所述工具溫度與所述工具溫度設(shè)定點(diǎn)不同，則修改當(dāng)前控制參數(shù)，或者如果所 述工具溫度與所述工具溫度設(shè)定點(diǎn)相同，則返回至步驟1)；以及4)確定是否已經(jīng)達(dá)到所述當(dāng)前控制參數(shù)的最小邊界值或最大邊界值，如果還未達(dá)到所 述當(dāng)前控制參數(shù)的最小邊界值或最大邊界值，則返回至步驟1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括下述步驟1)如果所述當(dāng)前控制參數(shù)已經(jīng)達(dá)到所述最小邊界值或所述最大邊界值，則將所述當(dāng)前 控制參數(shù)改變到要被修改的下一控制參數(shù)；以及2)返回至步驟1)，并且除了使所述下一控制參數(shù)成為要被用于修改所述工具溫度的 當(dāng)前控制參數(shù)之外，重復(fù)所有的所述步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括當(dāng)所有的所述控制參數(shù)已 經(jīng)達(dá)到最小或最大邊界值時(shí)終止所述控制程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述控制參數(shù)從包括Z軸負(fù)荷、Z軸位置、橫過速 度、橫過負(fù)荷和工具RPM的控制參數(shù)組中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括中斷所述控制程序并且用 不同的控制參數(shù)代替正在被用于修改工具溫度的所述當(dāng)前控制參數(shù)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括中斷所述控制程序以改變 被用于修改所述工具溫度的所述控制參數(shù)的次序的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括與所述當(dāng)前控制參數(shù)同時(shí) 地修改至少第二控制參數(shù)的步驟，從而使得所述控制程序使用至少兩個(gè)控制參數(shù)來達(dá)到所 述工具溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括在運(yùn)行期間修改所述當(dāng)前 控制參數(shù)的最小邊界值或最大邊界值的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法進(jìn)一步包括使用預(yù)測(cè)溫度控制來延遲 步驟幻和步驟4)直至所述工具溫度首次達(dá)到所述工具溫度設(shè)定點(diǎn)的步驟。
10.一種通過修改摩擦攪拌焊接機(jī)的控制參數(shù)來改善通過摩擦攪拌焊實(shí)現(xiàn)的焊接的可 重復(fù)性的方法，所述摩擦攪拌焊接機(jī)通過控制程序操作，所述控制程序包括下述步驟1)確定工具溫度；2)將所述工具溫度與工具溫度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較；3)如果所述工具溫度與所述工具溫度設(shè)定點(diǎn)不同，則修改當(dāng)前控制參數(shù)，或者如果所 述工具溫度相同，則返回至步驟1)；以及4)確定是否已經(jīng)達(dá)到所述當(dāng)前控制參數(shù)的最小或最大邊界值，如果還未達(dá)到所述當(dāng)前 控制參數(shù)的最小或最大邊界值，則返回至步驟1)。
11.一種用于修改控制變量以便操作用于高溫材料的處理的摩擦攪拌焊接機(jī)的方法， 所述方法包括下述步驟1)選擇被監(jiān)控的至少一個(gè)控制變量，其中，期望將所述控制變量保持在設(shè)定點(diǎn)；以及2)提供多個(gè)控制變量，所述多個(gè)控制變量能夠被調(diào)節(jié)以將所述至少一個(gè)控制變量保持 在所述設(shè)定點(diǎn)，其中，所述多個(gè)控制變量中的每一個(gè)變量獨(dú)立于其它控制變量被調(diào)節(jié)。
全文摘要
引入新的控制變量，當(dāng)其與依賴于其它變量的先前控制標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合時(shí)導(dǎo)致控制程序，所述控制程序可產(chǎn)生優(yōu)良的焊接同時(shí)使在FSW工具上的磨損最小化，其中，在每個(gè)重復(fù)的焊接順序期間，工具在指定的控制窗口內(nèi)重復(fù)地經(jīng)歷相同的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，這是因?yàn)榱鲃?dòng)應(yīng)力和工具負(fù)荷是由溫度驅(qū)動(dòng)，并且相關(guān)的控制循環(huán)可解決材料的不同和在摩擦攪拌焊接的整個(gè)過程中在不同位置以不同的速率傳遞的熱量不同的問題。
文檔編號(hào)B23K20/00GK102149505SQ200980135793
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者喬納森·A·巴布, 拉塞爾·J·斯蒂爾, 斯科特·M·帕克, 約翰·威廉斯 申請(qǐng)人:梅加斯特爾技術(shù)公司