[實用新型]用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊的焊具

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200720042645.7
• 申請日: 2007-11-20
• 公開（公告）號: CN201102126Y
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 嚴鏗;趙勇;聶潔;劉海波;付娟
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 樓高潮

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種攪拌摩擦焊的焊具，尤其是作為焊接顆粒增強鋁基復(fù)合材料的焊具，屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型低溫固相連接技術(shù)，適用于低熔點合金焊接。1991年由英國焊接研究所(The?Welding?Institute，TWI)發(fā)明，該技術(shù)的原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入接縫中，利用攪拌頭的強烈摩擦和攪拌作用，使焊接接縫區(qū)處于熱塑性狀態(tài)并被破碎、混合，在一定的壓力作用下被連接在一起，攪拌頭朝焊接方向高速旋轉(zhuǎn)并擠壓，而在攪拌頭的后方則形成了焊縫，從而完成了固態(tài)連接。目前各國都在競相研發(fā)，在航天航空、船舶、高速列車、裝甲戰(zhàn)車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊是在比被焊合金材料熔點溫度低的條件下完成固態(tài)連接，該技術(shù)具有金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小和力學(xué)性能損失低等突出的優(yōu)點。

在金屬基復(fù)合材料的研發(fā)過程中，其中以SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快，是當前金屬基復(fù)合材料中最早能實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的品種。作為新一代結(jié)構(gòu)材料，可靠的焊接和連接技術(shù)是其得以廣泛應(yīng)用的重要前提。

目前應(yīng)用的比較多得是TIG(鎢極惰性氣體弧焊)、釬焊、TLP(瞬時液相擴散焊)等，但是這些方法存在以下一些問題：焊接過程中液態(tài)熔池粘度大、流動性差、復(fù)合材料不易與填充材料熔合，焊縫存在微觀偏析和SiC增強相的不均勻分布、基體與增強相發(fā)生界面反應(yīng)，而且高溫時SiCp燒損現(xiàn)象比較嚴重等；對于采用常規(guī)釬焊方法，由于SiCp增強相的存在，嚴重阻礙了釬料的潤濕和鋪展，SiCp增強相很難過渡到釬縫中，而使得接頭力學(xué)性能達不到所要求；TLP連接被認為是一種較好的連接方法，但是規(guī)范和中間層的選擇不當，會形成脆性金屬間化合物。

專利申請?zhí)?00610010553.0介紹了一種銅及銅合金攪拌摩擦焊接用焊具，并對國內(nèi)外的專利進行了對比，但這種攪拌摩擦的焊具用于具有顆粒增強鋁基復(fù)合材料材料的焊接時，會對攪拌工具頭產(chǎn)生非常大的磨損，不能完成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的連接。

美國專利US5460317介紹了在攪拌摩擦焊接過程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，塑化材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由攪拌頭的前部移向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。攪拌摩擦焊接現(xiàn)階段主要成功應(yīng)用在低熔點材料如鋁、鎂合金等的連接上，采用的焊具為整體式工具鋼攪拌頭。與傳統(tǒng)的鋁、鎂合金相比，顆粒增強鋁基復(fù)合材料的強度相對較高，并且由于顆粒增強鋁基復(fù)合材料中的增強顆粒主要是采用碳化硅SiCp陶瓷顆粒，在攪拌摩擦焊接過程中會對攪拌工具頭產(chǎn)生非常大的磨損，就像鋼鐵在砂輪上磨一樣，因此用于傳統(tǒng)鋁、鎂合金攪拌摩擦焊的整體式工具鋼攪拌頭不能完成顆粒增強鋁基復(fù)合材料的連接。

美國專利US2004238599-A1給出了一種可用于較高熔點和較硬材料攪拌摩擦焊接的焊具，攪拌頭材料為固溶強化高熔點鎢基合金，焊具采用整體式結(jié)構(gòu)。該發(fā)明設(shè)計的焊具能夠承受焊接過程中產(chǎn)生的高溫，可以實現(xiàn)銅合金、鎳基合金、鐵基合金等材料的連接。但是攪拌摩擦焊接過程中只有攪拌針部分和軸肩部分對焊接質(zhì)量有影響，而該發(fā)明設(shè)計的攪拌頭整體都采用價格昂貴的鎢基合金制作，一方面帶來材料的浪費，同時整體式結(jié)構(gòu)加大了加工的工作量和難度。另外，現(xiàn)有的冶金技術(shù)在生產(chǎn)較大尺寸的鎢基合金上存在較大的難度，在有些情況下使整體式設(shè)計不可行。

由此可見，現(xiàn)有的攪拌摩擦焊接的多種焊具，均不適合用于具有顆粒增強鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊接。

實用新型內(nèi)容

本實用新型要解決的技術(shù)問題是：由于現(xiàn)有的用于具有較高硬度顆粒材料攪拌摩擦焊接的焊具中存在的耐磨性差、整體結(jié)構(gòu)的焊具消耗昂貴的高熔點材料較多、不利于對焊具進行結(jié)構(gòu)尺寸修改等問題，提出一種用于顆粒增強鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊接的焊具。

為了達到上述目的，其技術(shù)方案為：一種用于具有顆粒增強鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊的焊具，所述焊具為組合式結(jié)構(gòu)，所述組合式結(jié)構(gòu)由夾持體和裝在夾持體上的攪拌頭組成，所述夾持體的結(jié)構(gòu)包括柄部和直徑大于柄部的頭部，所述頭部端面中央設(shè)有螺紋孔，所述攪拌頭的一端旋合在夾持體頭部的螺紋孔中。

前述的用于具有顆粒增強鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊的焊具，其中所述攪拌頭的結(jié)構(gòu)為一端設(shè)有外螺紋的螺柱體，中部設(shè)有圓餅形的軸肩，另一端為攪拌針。

前述的用于具有顆粒增強鋁基復(fù)合材料攪拌摩擦焊的焊具，其中所述攪拌針從軸肩外端的中央向外延伸，其形狀為圓錐形。所述攪拌針表面制有外螺紋，所述外螺紋的方向與攪拌頭螺柱體外螺紋的方向相反。