[發明專利]中空送料摩擦頭及金屬材料表面復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 201210087902.4
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102632334A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 黃永憲;王天昊;呂世雄;萬龍;劉會杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 劉同恩

技術領域

本發明涉及一種攪拌摩擦焊的摩擦頭及焊接方法，尤其是一種利用攪拌摩擦加工制備金屬材料表面復合材料的方法。

背景技術

隨著科學技術的高速發展，對于結構材料的性能提出了更高的要求。其中一項重要需求是使材料在滿足高塑、韌性的前提下，具有高硬度、高耐磨度等特點。這對于組分均一的材料來說是難以實現的，硬度、耐磨度的提高就會不可避免地使材料的塑韌性下降。因此有研究者提出，可以在具有高塑、韌性的金屬材料表面進行增強相為硬質陶瓷顆粒的表面復合材料，這樣就能夠在保持基體高塑、韌性的前提下，得到表面硬度高、耐磨度高的材料。但目前金屬基表面復合材料的制備方法大都工藝復雜，成本高昂。

攪拌摩擦加工(FSP)技術作為一種新的材料微觀結構改性技術，已被成功應用到金屬基復合材料的制備上。所謂攪拌摩擦加工(FSP)，即是將高速旋轉的加工頭壓入材料表面毫米級深度，并沿材料表面方向行進，造成材料表面發生劇烈的塑性變形、混合和溫升，從而實現表面材料的密化、細化和均勻化。

將FSP應用到金屬基復合材料的制備上，其主要制備方法是將增強相顆粒預置在金屬板材中，再進行攪拌摩擦加工。實驗表明，顆粒的預置方式對于其在基體中的分布均勻性有極大影響。目前報導的預置方式有以下幾種：(1)、將增強相顆粒直接鋪在板材表面，這種方法簡單、高效，但顆粒極易飛濺。(2)、在板材表面開一道具有一定寬度、深度的凹槽，再在其中添加增強相顆粒并壓實，最后沿其長度方向進行攪拌摩擦加工。這種方法的主要問題在于隨著攪拌針沿凹槽前進，凹槽內預置的增強相顆粒容易從槽內溢出。為了解決該問題，可在凹槽上加一層金屬蓋板，或者使用無攪拌針的加工頭在凹槽上進行表面預處理，將增強顆粒封在凹槽中，防止后續加工時顆粒溢出。(3)、在緊貼金屬板的下方，鉆一平行于表面的深孔，在孔內裝入增強相顆粒，并沿孔的深度方向進行攪拌摩擦加工。(4)、在材料表面開一系列點陣規律排布的盲孔，并將增強相預置在孔中，最后進行攪拌摩擦加工。

上述四種預置方式中，(1)的增強相分布均勻性較差，(2)、(3)的增強相分布均勻性有所改善，但仍不理想，(4)的增強相分布均勻性顯著提高。分析可知：(1)的增強相分布均勻性差不難理解，在加工過程中大量顆粒會發生飛濺，不能很好地被加工頭攪入基體內。(2)、(3)方式進行增強相預置時，即使不發生增強相顆粒的飛濺，攪拌針在將增強顆粒攪入基體的同時，也會將前方預置的顆粒向前推進、堆積，進而造成基體中增強相顆粒分布不均。以(4)方式進行顆粒預置，顆粒被離散地固定在各盲孔中，加工時就不會發生增強顆粒的推移，因此其增強相分布最為均勻。但由于(2)、(3)、(4)三種預置方法的工作量都很大，不適合實際生產應用中推廣。

發明內容

本發明的目的是為解決FSP應用到金屬基復合材料的制備上，需將增強相預置在待加工件中，導致待加工件在加工過程中，發生顆粒的飛濺及推移，使得增強相分布不均的問題，提供一種中空送料摩擦頭及金屬材料表面復合材料的制備方法。

本發明的摩擦頭包括攪拌摩擦體和輔助送料裝置，攪拌摩擦體由上圓柱體和下圓柱體組成，所述上圓柱體和下圓柱體上下設置且制成一體，所述上圓柱體的直徑小于下圓柱體的直徑，上圓柱體的外表面上設有夾持面，所述下圓柱體的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面，所述上圓柱體和下圓柱體沿軸線設有孔道，所述孔道由上至下分為三段，分別為上孔道、中孔道和下孔道，上孔道的內徑與下孔道的內徑相同，中孔道的內徑小于上孔道的內徑，所述下圓柱體上沿徑向設有一橫向通孔，橫向通孔與下孔道相通，所述橫向通孔的兩端分別設有與橫向通孔同軸且相通的軸承凹槽，增強相添加裝置由遙控微型電動機、轉軸、兩個轉動軸承和數個扇葉組成，所述轉軸設置在橫向通孔中，轉軸的兩端分別設置在兩個轉動軸承中，每個軸承凹槽裝有一個轉動軸承，數個扇葉位于下孔道中，且數個扇葉均布安裝在轉軸上，轉軸的輸入端與遙控微型電動機的輸出軸連接，遙控微型電動機固裝在下圓柱體的外表面上。

本發明的方法是通過以下步驟實現的：

步驟一、確定摩擦頭的幾何尺寸：根據待處理工件一次表面復合材料化的寬度確定摩擦頭軸肩的直徑D，摩擦頭軸肩的直徑D與一次表面復合材料化的寬度相等，確定下孔道3-3的內徑為0.5D～0.25D，凹形軸肩面的外邊緣比凹形軸肩面的中心高0.1mm～1mm；

步驟二、添加增強相顆粒：向上孔道加入增強相顆粒，將上孔道填滿；

步驟三、調整摩擦頭的傾斜角：調整摩擦頭的傾斜角即摩擦頭的中心軸線與待處理工件法線的夾角，調整該夾角為0°～1°；