表面搅拌摩擦工艺

申请号 CN201480014693.8 申请日 2014-03-07 公开(公告)号 CN105209212A 公开(公告)日 2015-12-30
申请人 洛克希德马丁公司; 发明人 S·M·莫勒; M·R·埃勒; Z·李;
摘要 介绍了一种在金属物体表面上使用的被称为表面搅拌摩擦(FSS)的工艺。所述FSS工艺发生在金属物体的一部分或整个表面上的与搅拌 摩擦 焊接 头分离开的 位置 处。在表面上的FSS工艺在物体上产生耐 腐蚀 性的机械转化“涂层”。所述“涂层”由FSS处理过的物体材料的厚度形成。在一种示例性应用中,该工艺能够被应用于金属条,是金属条随后将形成管,由此“涂层”表面存在于所述管的内侧上,使其相对于腐蚀性 流体 (例如 海 水 )具有高度的 耐腐蚀性 。
权利要求

1.一种提高金属物体表面的耐腐蚀性的方法,包括:
使用搅拌摩擦焊工具对所述金属物体的未连接表面的至少一部分进行表面搅拌摩擦以产生机械转化涂层。
2.如权利要求1所述的方法,包括对所述金属物体的整个表面区域进行表面搅拌,所述金属物体在其预期使用时将暴露至、海洋环境或腐蚀性环境。
3.如权利要求1所述的方法,还包括在表面搅拌之后,对所述表面的表面搅拌部分进行机械加工、飞速切削、磨削、研磨抛光处理。
4.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体是由单一的金属材料所形成的。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体的所述未连接表面大致是平直的且平坦的表面。
6.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体的所述未连接表面是弯曲的或非平直的表面。
7.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体具有弯曲的表面和平直的表面两者。
8.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体是板、棒、杆或管。
9.如权利要求1所述的方法,其中所述金属物体进行完全的表面搅拌摩擦处理,且表面搅拌摩擦穿透所述金属物体的整个厚度。
10.如权利要求4所述的方法,其中单一的金属材料包括合金合金或不锈
11.如权利要求10所述的方法,其中所述铝合金包括海洋级别铝合金。
12.如权利要求2所述的方法,其中所述金属物体是在海洋热能转换装置、海水淡化装置,或海上船舶或飞机的部件中所使用的物体。
13.如权利要求2所述的方法,其中所述金属物体是用于海洋热能转换装置中的热交换器
14.如权利要求9所述的方法,其中所述金属物体进行机械加工、冲压或处理从而在其至少一个表面上形成表面增强。
15.如权利要求9或14所述的方法,其中所述金属物体被切割成条。
16.如权利要求15所述的方法,其中在切割后,每个条形成管状物体。
17.如权利要求16所述的方法,其中由所述条形成的所述管状物体的相邻的边缘沿着接缝进行搅拌摩擦焊处理,从而产生进行过完全表面搅拌摩擦的和搅拌摩擦焊处理的管。
18.如权利要求16所述的方法,其中由所述条形成的所述管状物体的相邻的边缘沿着接缝被连接。
19.如权利要求18所述的方法,其中沿着所述接缝对相邻的边缘进行搅拌摩擦焊处理,从而产生进行过完全表面搅拌摩擦和搅拌摩擦焊处理的管状物体。

说明书全文

表面搅拌摩擦工艺

技术领域

[0001] 本公开涉及耐腐蚀金属物体,以及利用表面搅拌摩擦(FSS)来增强金属物体的耐腐蚀性

背景技术

[0002] 大多数金属,甚至是海洋级别金属,在环境中均显示出腐蚀的迹象,其中水环境包括盐水环境、淡盐水环境和淡水环境中。腐蚀在冷的、深盐水环境中表现得特别明显。随着时间过去,腐蚀对于暴露在水环境中的金属物体的长期操作维持会是有害的。
[0003] 使用搅拌摩擦焊(FSW)将两种金属物体连接在焊接接头处是公知技术。当这些物体暴露在水环境中时,可以观察到,尽管在金属物体上基体金属合金中的FSW接头以外的位置处发生了严重的腐蚀,但是在FSW接头处,很少或者没有腐蚀发生。发明内容
[0004] 介绍了一种在金属物体表面上使用的被称为表面搅拌摩擦(FSS)的工艺。该FSS发生在金属物体的与FSW焊接接头分开的位置处的一部分或整个表面上。表面上的FSS工艺在物体上形成了耐腐蚀的、机械转化的“涂层”。该机械转化涂层是由已经进行FSS加工的物体材料的厚度所形成的。机械转化涂层能够是金属物体厚度的一部分或者是物体的全部厚度。
[0005] FSS与FSW是相似的在于,使用旋转工具来软化或者塑化金属材料。然而,FSS发生在金属物体的表面上方,而不是两个物体之间的接头处。FSS工艺能够使用用于形成FSW焊接接头的常规的FSW工具,或者将常规的FSW工具按比例增加尺寸从而用于与经受FSS处理的更大表面一起使用。
[0006] FSS工具能够使用在多个搅拌路径中。例如,FSS工具能够沿着在金属物体上的直线路径穿过,该金属物体在一个方向或两个方向(即,往复地)上进行搅拌。在另一实施例中,FSS工具能够从中心开始并且以螺旋图案向外行进。在另一实施例中,FSS工具在金属物体上能够沿着正方形或者矩形图案行进且向外或向内行进。其它行进路径也是可能的。
[0007] FSS能够发生在金属物体上进行机械加工操作之前或之后。该金属物体能够具有任何形状或尺寸,且能够是板、棒、杆、管或其它形状。FSS能够发生在任何形状的表面上,例如,平坦或平直表面、曲面、或曲面与平面的组合。
[0008] 经受FSS处理的物体能够是由以下金属合金形成的,包括但不限于:合金(2xxx、3xxx、5xxx、6xxx和7xxx系列的合金),特别是海洋级别铝合金(5xxx和6xxx系列)、合金、合金(例如不锈钢)以及其它。
[0009] 所产生的FSS机械转化涂层明显厚于常规的耐腐蚀转化涂层,例如5-10倍的厚度。尽管这些FSS涂层比常规的化学转化涂层厚,但是它们与FSS涂层搅拌区周围或其下的基体金属是一体的。如果该基体金属和FSS涂层的热性质不相同的话,则其非常近似。因此,FSS涂层具有优于常规的表面涂层优点,即其不存在常规涂覆工艺通常所困扰的剥离问题,并且更厚的FSS涂层在海洋或其它腐蚀性环境中明显产生更长的使用寿命。FSS机械转化涂层由于不使用单独的涂层材料,因此对环境很友好。由于FSS工艺已经溶解大多数沉淀物或使其最少化,因此FSS机械转化涂层含有更少且更小的沉淀物和更加清晰的晶界,而不会影响金属物体的热性能或其它材料性质。
[0010] 在一个示例性申请中,FSS工艺能够用于旨在使用于水中的物体上,包括盐水、淡盐水和淡水。例如但不限于,该金属物体能够是在海洋热能转换装置、海水淡化装置或船舶中所使用的物体。在其预期的使用过程中,物体能够被放置在水下、水上或在水上方但并不暴露至水(即,浪花、盐雾、或其它海水层环境),或其组合。FSS工艺能够用于在使用中暴露至水和/或海水环境的金属物体的部分或全部面积上。
[0011] FSS工艺能够与FSW一起使用来产生由单一金属材料形成的水下结构。例如,在海洋热能转换系统(OTEC)中,包括壳、板和管的热交换机能够完全由铝合金形成,因此省去了不同金属以及电耦合的使用。
[0012] 在一个实施例中,表面搅拌摩擦工艺包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的无接头或FSW连接表面的至少一部分进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用,并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。
[0013] 在另一实施例中,该工艺包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的未连接表面进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用,并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。
[0014] 在另一实施例中,提高金属物体耐腐蚀性的方法包括使用搅拌摩擦焊工具对金属物体的未连接的或FSW连接表面的至少一部分进行表面搅拌摩擦。此实施例能够与此文中所包含的任何从属权利要求组合使用,并且从属权利要求能够以任意组合的方式使用。附图说明
[0015] 图1A-D图示了其表面正进行FSS工艺的物体的一部分。
[0016] 图2图示了其表面正进行FSS工艺的物体的一部分,该部分与物体上的FSW接头是分隔开的。
[0017] 图3A-C是图示了在物体进行FSS的另一个示例的侧视图,其在FSS之后进行机械加工。
[0018] 图4是已经由FSS处理过的管的端视图,其图示了FSS机械转化“涂层”。
[0019] 图5A-B图示了具有物体的整个厚度的FSS的示例。
[0020] 图6A-C图示了形成FSS管的工艺。
[0021] 图7A-B图示了可替代的形成FSS管的工艺。
[0022] 图8A-C图示了能够形成的不同FSS管形状和FSS管表面的示例。
[0023] 图9A-C图示了具有不同表面光洁度的FSS物体的示例。

具体实施方式

[0024] 以下描述介绍了在金属物体的表面上使用FSS工艺的过程。FSS工艺发生在金属物体的部分或全部表面上,穿过该物体的一部分或整个厚度。该金属物体能够具有一个或更多个FSW焊接接头,或者没有FSW焊接接头。在表面上的FSS工艺在物体上产生耐腐蚀机械转化“涂层”,下文其将被称为“涂层”。该“涂层”由FSS处理过的物体材料的厚度所形成,其取决于在FSS工艺中所使用的旋转工具的穿透深度。
[0025] FSS工艺与FSW是类似的在于其使用旋转工具软化或塑化金属材料。然而,FSS工艺发生在金属物体的表面上方,而不是像FSW那样发生在两个物体之间的接头处,并且其不用于将两个物体连接在一起。
[0026] 现在参照图1A-D,图示了金属物体10的正进行FSS工艺的一部分。物体10包括表面12,其能够是平的或者弯曲的。FSS工具14用于在表面12上实施FSS工艺。在此示例中,FSS工具14在构造和操作上能够与常规的用于形成FSW焊接接头的FSW工具相同,或者工具14能够与常规的FSW工具相似,只是按比例增加其尺寸用于与经受FSS处理的更大表面12一起使用。
[0027] 本领域技术人员将理解到的,当与物体表面接触时,FSS工具14以高速旋转。工具14将金属材料软化或塑化至一定深度,该深度是由工具14至物体表面12中的穿透深度所决定的。一旦工具穿过金属,其在该针状工具后面搅拌金属并使其固结在工具肩部下方。所产生的表面“涂层”将包括带有非常细小的等轴晶粒的金属。因为在FSS工艺期间没有发生熔化,因此该操作全部在固态下进行。
[0028] 在此示例中,FSS工具14在表面12上沿着图1B中箭头所示的行进方向15移动,从而产生FSS区域16(FSS区域16在图1B和图1D中以虚线表示)。如图1C所示的,在每条路径完成之后,工具14沿着箭头方向移动(或者物体相对于工具移动)来完成新的FSS路径。如图1D所指出的,该过程在物体10的除了边界之外的全部表面区域上重复进行,或者仅在一部分表面区域上进行。
[0029] 在图1A中,FSS工艺开始于通过将FSS工具插入物体,并且沿着物体的长轴向北平移且在工具到达物体的端部之前停止。然后FSS工具能够平移回到初始开始位置并且移动足够的距离来保证将实现FSS区域的充分重叠。FSS工具然后再次沿着物体向北平移,并且重复该移动操作直到整个物体都与FSS区域重叠。可替代地,FSS工具能够在每条路径的端部处停止并且在工具仍然施加载荷和旋转的同时进行移动。然后该工具再次沿着物体向南平移,同时与之前的FSS区域重叠。该工具能够继续来回焊接并在每条路径的端部处移动直到整个板材除了边界之外都经过FSS处理。其它的工具行进图案也是可能的,包括但不限于方形、矩形或螺旋形图案。
[0030] 应当注意的是,FSS工艺在表面12上使用在与任何FSW接头分隔开的位置处。在图1A-D所示的示例中,物体10不包括任何FSW接头。
[0031] 图2显示了一个实施例,其中物体10′由两个部分18a、18b形成,这两个部分最初是分离的,之后通过常规的FSW工艺沿着FSW焊接区或接头20连接在一起。在此实施例中,工具14穿过表面12′的区域以在与FSW区20分隔开的位置处形成FSS区16。
[0032] 图3A-C显示了已经由FSS处理过的物体30的截面图,其中图3A显示一次FSS操作,以及图3B显示多次FSS操作。FSS工具14的穿透深度决定了所产生的“涂层”的深度。参照图3B,能够看出多次FSS工具14的操作具有充分的重叠,所形成的搅拌区(或者搅拌摩擦加处理(FSP)区)具有穿过整个物体30的连续深度“D”,从而形成所产生的FSS“涂层”32。该FSS“涂层”32提供耐腐蚀性屏障,其厚度明显大于常规的抗腐蚀转化涂层,例如5-10倍的厚度。
[0033] 在实施FSS之后,如果需要,物体表面能够进行机械加工,例如飞切加工、磨削、研磨和/或抛光,例如使该表面平整。在一个实施例中,图3C图示了重叠搅拌区的顶面能够被机械加工,例如使用合适的切削装置(例如铣机钻头、飞刀、刨槽机等)将厚度的一部分切削掉。如果不考虑隙间腐蚀,则能够跳过机械加工步骤。
[0034] FSS工艺能够在具有任何形状的物体和具有任何形状的物体表面上实施。图4图示了中空、圆柱形物体或管40,其具有中空内部空间42以及从内表面44向外表面46延伸的壁厚T。在外表面46上实施FSS工艺至厚度D以形成FSS“涂层”48。FSS也可能够在内表面44上实施。
[0035] FSS“涂层”32通常能够在物体上具有恒定深度或者该涂层深度能够变化。例如,参照图5A和5B,图示了物体50的侧视图,其中物体50已经由FSS处理成穿透物体50的整个厚度或者具有深度D,其在一些应用中可以是有益的。在一个实施例中,常规的FSW工具,其具有长度可与物体厚度差不多的针,该工具能够用于实现全部厚度的FSS。在图5B所示的另一实施例中,FSS工具52是自反应FSS工具,其具有上肩部54、下肩部56和在肩部54、56之间延伸的单独的针58。该针58暴露在肩部54、56之间,肩部54、56之间间隔的距离基本等于物体50的厚度,从而可以得到全部厚度的FSS处理。
[0036] 图6A-C图示了使用FSS的管成形工艺。从图6A开始,板60(例如铝合金)对于该板的整个深度进行完全FSS处理,并且如果需要,还可以进行上述的机械加工。如图6B所示的,然后将该板60切削成条62a、62b......62n,以移除未经过FSS处理的边界64。参照图6C,然后每个条被卷成管65,且之后沿着接缝64′将其边缘连接起来。
[0037] 能够使用任何合适的连接工艺来连接边缘。在一个实施例中,能够使用现有技术已知的高频电阻焊工艺来连接边缘。其结果是形成了内外表面两者均由FSS处理过的管65。可替代地,如图7A-B所示的,能够使用常规的FSW工艺以及FSW工具66来连接边缘,从而形成全FSS和FSW管68,其在内外表面两者上均最小化或消除了腐蚀。可替代地,能够使用第一种类型的工艺来连接边缘,例如焊接工艺(例如电阻焊接激光焊接),且然后所连接的边缘能够沿接缝进行FSW处理,从而形成全FSS和FSW管,其在内外表面两者上均最小化或消除了腐蚀。
[0038] 图8A-C图示了能够使用上述的工艺和技术成形的FSS形状和FSS管表面的示例。这些示例图示了图6A-C和图7A-B中所介绍的工艺能够用于形成具有许多不同形状和表面增强的管。该表面增强能够在切割成条之前或之后加入。此外,该表面增强能够发生在所产生的管的一部分或整个外表面上,或者发生在一部分或整个内表面上。然而,表面增强并不限于使用在管上,且其能够提供在经受此文中所述的FSS处理的任何金属物体上。
[0039] 该表面增强能够旨在提高热性能,例如管或金属物体的热传递,或者增强任何其它性质。该表面增强能够以任何方式形成,包括但不限于:机械加工、冲压、化学蚀刻等类似工艺。
[0040] 图8A显示了圆柱形的管80。管80的外表面还设有一些槽或者波纹82,其在金属进行FSS处理后再机械加工至金属中。
[0041] 图8B显示了梯形的管84,其一部分或整个外表面机械加工有槽86。在此实施例中,其一部分或整个内表面上也机械加工有槽88。
[0042] 图8C显示了矩形的管90,其一部分或整个外表面上机械加工有槽92。在此实施例中,其一部分或整个内表面上也机械加工有槽94。
[0043] 图9A-C图示了不同的表面光洁度的一些示例,其能够提供在FSS处理过的管或其它金属物体的表面上(内表面和/或外表面)。图9A-C图示了各种凸起表面光洁度,其能够以任何方式形成,包括但不限于:机械加工、冲压、化学蚀刻等类似工艺[0044] FSS工艺对于在海洋应用以及遭遇水(特别是盐水)的应用中所使用的物体是尤其有用的。示例性的应用包括但不限于:在海水淡化装置或OTEC装置中使用的热交换器,在电站系统中的冷凝器和其它的冷却和液-液或液-气热负载交换应用中。FSS工艺对于用在军舰或其它海上船舶或飞机中、空气中或海下的表面(例如船壳、甲板、转子部件等)的部件也能够是有利的。
[0045] 在本申请中公开的示例在所有方面都被认为是说明性的但不是限制性的。本发明的范围由所附的权利要求限定而不是由前述说明所限定,且在权利要求等效的含义和范围内的所有改变均旨在被包括在其中。
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