[發明專利]高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭及方法

在審

• 申請號: 201510873379.1
• 申請日: 2015-12-02
• 公開（公告）號: CN105436697A
• 公開（公告）日: 2016-03-30
• 發明（設計）人: 李紅軍;劉迪
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B05D3/00;B05D1/02
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

技術領域

本發明涉及一種攪拌摩擦焊接用攪拌頭，尤其是一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭。

背景技術

攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding,簡稱FSW)是一種在焊接過程中被焊材料不發生熔化的固相焊接技術，攪拌頭是攪拌摩擦焊接過程中的關鍵工具。攪拌摩擦焊完成焊接的原理是，機床主軸帶動攪拌摩擦焊攪拌頭高速旋轉，同時攪拌頭的攪拌針插入焊縫，攪拌頭軸肩與被焊材料表面產生劇烈摩擦產生焊接所需要的熱量，使被焊材料加熱到高塑性狀態，同時高速旋轉的攪拌針帶動焊縫周圍材料發生劇烈的塑性流動，焊縫因材料的劇烈攪動及軸肩對其施加的壓力下完成焊合。在焊接過程中焊縫周圍材料處于高塑性固體狀態而未發生熔化，因此其是一種區別于熔化焊的固態焊接技術，且相比于熔化焊，攪拌摩擦焊具有能量消耗少、焊縫美觀性能好、焊接過程中不產生有害氣體等優點。

在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭處于高溫狀態，在焊接鋁合金材料時，攪拌頭與焊接金屬接觸部位的溫度約為400～500℃，而在焊接鋼材等高熔點金屬時，攪拌頭溫度可高達1000℃以上。因攪拌頭在工作時裝夾在機床主軸上，攪拌頭在工作時產生的熱量會不可避免地傳向機床主軸，從而導致機床主軸溫度升高，而主軸溫度過高會嚴重影響主軸的壽命及加工精度，目前為防止主軸溫度過高，一般采用對主軸進行水冷散熱等方式進行降溫，該方法不僅設備復雜成本高，且其從主軸帶走的熱量也被浪費掉了，不利于能量的高效利用。

熱障涂層(Thermalbarriercoatings,簡稱TBCs)，是一種通常用在金屬制品表面，用以降低基體金屬工作溫度、改善其熱疲勞和抗氧化、腐蝕、磨損性能的，具有良好隔熱效果的陶瓷涂層。熱障涂層技術最早被用于火箭發動機和燃氣渦輪機葉片，用以提高其耐高溫及耐腐蝕性能。目前，在渦輪機葉片應用熱障涂層，可降低基體金屬溫度達170℃左右。

發明內容

本發明為解決攪拌摩擦焊接過程中主軸溫度過高及對主軸采用水冷散熱時成本高且能量利用率低的問題，設計了一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭。該攪拌頭能有效減少攪拌頭向機床主軸傳遞的熱量，防止主軸溫度過高，同時避免了對主軸采用水冷散熱等方法進行降溫時產生的熱量損失。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，所述攪拌頭包括與機床接觸部位和工作部位；所述與機床接觸部位包括攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部；所述工作部位包括軸肩、攪拌針；所述攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部、軸肩、攪拌針從上到下依次相互固定；所述攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部外表面分別設置熱障涂層。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的改進：所述熱障涂層為導熱性能差的低熱導率材料。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進：所述熱障涂層的厚度為50～500μm。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進：所述熱障涂層的結構包括由粘結層及陶瓷層構成的雙層結構，由粘結層、封阻層、陶瓷層構成的多層結構，和由粘結層及成分連續變化的陶瓷層構成的梯度結構。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進：所述熱障涂層具有與攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部一體結構式或者可分離結構式兩種結合方式。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進：所述熱障涂層通過等離子噴涂法、電子束物理氣相沉積法、超音速火焰噴涂法、激光重熔法或者化學氣相沉積法設置。

作為對本發明所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進：所述熱障涂層是用6～8％Y₂O₃穩定的ZrO₂陶瓷熱障涂層。

一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法，將攪拌頭裝夾柄去除一定厚度；對攪拌頭裝夾柄的金屬基體表面進行預處理；對攪拌頭進行預熱；用等離子噴涂法對攪拌頭裝夾柄均勻地噴涂一定厚度的熱障涂層。

作為對一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法的改進：所述攪拌頭裝夾柄去除的厚度為熱障涂層的厚度。

作為對一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法的進一步改進：所述預處理步驟包括清除表面油污、銹、氧化層等以及對表面進行粗化處理。