[發(fā)明專利]一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410134221.8
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN103920984A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尹善文;韓秀紅;姚漢偉;范志強(qiáng);蔣志巖
• 申請（專利權(quán)）人: 長春三友汽車部件制造有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23P15/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可提高攪拌頭耐磨性的雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，屬于焊接與連接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

攪拌摩擦焊接是利用機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱源作為連接金屬材料的一種焊接方法，其原理是由一個(gè)圓柱體形狀的攪拌頭伸入工件的連接區(qū)，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)與被焊接金屬材料摩擦，使連接部位的金屬材料局部產(chǎn)生摩擦熱和發(fā)生高溫塑性變形，連接區(qū)金屬材料通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶，最后形成金屬間連接。攪拌摩擦焊接作為一種固相焊接方法，焊接時(shí)的溫度相對較低，焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形較小，可避免熔化焊接帶來的諸多焊接性問題；同時(shí)，焊接過程中不需要填充其它焊接材料，非常適合焊接一些組織與性能對溫度和成分變化極為敏感的金屬材料，如熱處理強(qiáng)化鋁合金、鎂合金及鈦合金等。

攪拌摩擦焊接對設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是實(shí)現(xiàn)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對運(yùn)動(dòng)。因此，攪拌摩擦焊接的核心部件就是攪拌頭。攪拌頭由夾持部分、軸肩和攪拌針組成。攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針要旋轉(zhuǎn)著插入工件被焊金屬材料的連接部位，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間產(chǎn)生摩擦熱使攪拌頭前面的金屬材料發(fā)生高溫塑性變形。攪拌頭軸肩可以和工件表面相互摩擦產(chǎn)生摩擦熱，并防止攪拌頭在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)塑性變形的金屬材料從焊縫區(qū)噴射出來，同時(shí)起到清除表面氧化膜的作用。隨著攪拌頭的移動(dòng)，高溫塑性變形的金屬材料流向攪拌頭的背后，攪拌頭后方的金屬材料冷卻后形成固態(tài)焊縫。

攪拌頭作為攪拌摩擦焊接生產(chǎn)中的易耗品，不僅消耗量大，而且其質(zhì)量的好壞直接影響焊接質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是攪拌摩擦焊接技術(shù)的核心，也是攪拌摩擦焊接工藝中最重要技術(shù)之一，對焊縫成形質(zhì)量和金屬流動(dòng)性有重要的影響。攪拌頭材料應(yīng)具有熱強(qiáng)性、耐磨性、抗蠕變性、耐沖擊性、易加工性、材料惰性、熱穩(wěn)定性、摩擦效果優(yōu)良等特性。合適材料的攪拌頭能夠增加摩擦，提高熱量的輸入，有利于焊縫金屬材料高溫塑性變形和提高焊接質(zhì)量。

近幾年，攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直受到焊接工作者和攪拌摩擦焊接工藝使用者的關(guān)注，并在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文，見[1]Journal?of?Materials?Processing?technology，2006，178(1-3)：342-349；[2]Materials?Transactions，2005，46(10)：2211-2217；[3]Proceedings?of?the?Japan?Welding?Society，2005，23(2)：186-193等學(xué)術(shù)期刊。相關(guān)發(fā)明專利也很多，如中國專利201310410290.2，201180065081.8，201310316992.4等。查閱已有文獻(xiàn)可見，可用作攪拌摩擦焊接的攪拌頭材料很多，均為耐磨性較好且具有一定高溫?zé)岱€(wěn)定性能的金屬材料，如熱處理的工具鋼、模具鋼、鎳基合金、WC-Co合金鋼、純鎢、鉬合金、Co-Al-W合金以及采用兩種金屬材料組合的攪拌頭（軸肩采用模具鋼，攪拌針材料為WC-Co合金鋼等）。另外，攪拌頭的攪拌針在摩擦焊過程中不僅提供熱輸入，而且起到機(jī)械攪拌作用，攪拌針的形貌和幾何尺寸影響著高溫塑性軟化金屬材料的流動(dòng)形式和被切削材料的體積，進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能。隨著焊接工作者和攪拌摩擦焊接工藝使用者對攪拌摩擦焊接越來越深入的研究，設(shè)計(jì)出了多種形貌和幾何尺寸攪拌針，如柱形攪拌針、錐形螺紋攪拌針、三槽錐形螺紋攪拌針、偏心圓攪拌針、偏心圓螺紋攪拌針和非對稱攪拌針等。由于金屬材料的耐磨性是非常有限的，因此現(xiàn)有技術(shù)采用的單一金屬材料或雙金屬材料制造的攪拌頭很難同時(shí)滿足對高溫?zé)岱€(wěn)定性和耐磨性的要求。而且攪拌針在摩擦焊接過程中磨損最為嚴(yán)重，尺寸變化將改變焊接熱輸入量，最終影響著高溫塑性軟化金屬材料的流動(dòng)形式和被切削材料的體積，結(jié)果使接頭力學(xué)性能發(fā)生變化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種采用兩種完全不同成分和性能的材料組合而成的組合式攪拌頭。其中，軸肩（2）和夾持部位（1）采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針（3）采用立方氮化硼（簡稱c-BN）超硬耐磨復(fù)合材料，最后通過焊接工藝將熱處理的合金工具鋼與c-BN超硬耐磨復(fù)合材料連接起來形成組合式攪拌頭。

本發(fā)明的上述目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下：