[發明專利]基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法

在審

• 申請號: 201710122070.8
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106862750A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 楊建海;裴永泉;何禎鑫;張玉祥;葛利玲;陳家照;張有宏
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍火箭軍工程大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質量焊接。

背景技術

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發明的一種固相連接新工藝技術，可有效避免傳統熔化焊產生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節能環保、連接溫度低、焊后殘余應力小以及接頭性能高等一系列優點，可實現傳統認為不可焊的高強鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質量焊接，裝置示意圖如圖1。自發明起便受到了廣泛的關注，是世界焊接技術發展史上自發明到工業應用時間跨度最短的連接技術，被譽為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領域的焊接方面具有廣闊的應用前景。其工作原理是一個帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉并將攪拌針擠入對接板材的接縫處，直至軸肩與工件緊密接觸，在摩擦熱和攪拌針擠壓的作用下，材料發生軟化，攪拌針的攪動作用使接縫兩側的材料產生塑性流變和混合，通過焊接工具的前移形成密實無缺陷的焊縫。

金屬材料經過攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產生的高溫熱循環作用下，強化相會發生粗化或回溶，導致焊縫的熱機影響區成為焊接接頭的薄弱環節，在硬度、屈服強度、抗拉強度、應力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進一步影響了焊接接頭的綜合性能。

表面納米化作為表面強化的一種新手段，能夠在材料表層形成表面粗糙度不等的梯度納米結構層，獲得高強度、高硬度和高耐磨等優異性能。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于混合表面納米化技術的攪拌摩擦焊方法，能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成更多的納米層區，減少因待焊基材焊接面不平整等引起“S”形線的形成率，降低焊接接頭缺陷率，在焊接面制備出無裂紋的納米層，大幅降低焊接接頭表面粗糙度，提高攪拌摩擦焊接頭綜合性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進行超音速微粒轟擊表面納米化處理，在待焊基材表面形成一層厚度不低于50μm的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm；對待焊基材表面進行表面機械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區域打磨光滑；最后對攪拌摩擦焊接接頭表面進行表面機械滾壓。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質為不銹鋼S110、SiO₂、BN或WC，彈丸直徑為0.05～0.5mm，噴射角為60°～90°，工作氣壓為0.1～0.53MPa，氣流速率為340～1200m/s，噴射距離為10～300mm，噴射時間為0.1～300min。

所述的攪拌摩擦焊分預焊和正式焊，預焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉速度為50-1000r/min，焊接速度為50-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm；正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉速度為100-2000r/min，焊接速度為100-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。

所述的表面機械滾壓的旋轉軸轉速為20～200r/min，軸上裝有WC-Co硬質合金鋼沖擊滾輪，滾輪直徑為20～60mm，厚度為5～30mm，攪拌摩擦焊接接頭表面沿滾輪轉軸方向往復運動的移動速率為0.05～5mm/s，移動最大距離為1～300mm，往復移動一個來回為2次處理，滾壓次數1～100次，工作環境溫度為-50℃～100℃。

本發明的有益效果是：能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區，待焊基材待焊面表面粗糙度得到大幅減小，較少焊接產品的缺陷率，在焊接接頭表面制備出無裂紋的納米層，大幅降低焊接接頭表面粗糙度，達到提高焊接接頭綜合性能的目的，進一步擴展表面納米化技術在攪拌摩擦焊領域的工業化應用。

1、金屬材料經過超音速微粒轟擊后生成的表面納米層厚，有利于提高焊縫中納米層區的體積占比，通過表面機械滾壓技術不僅使表面納米層晶粒進一步細化，而且大幅降低待焊基材待焊表面粗糙度，減少“S”形線等缺陷的產生，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強度、抗拉強度、延伸率、耐點蝕性能和耐應力腐蝕性能)；

2、攪拌摩擦焊接接頭表面經過表面機械滾壓技術處理后，表面制備出無裂紋的納米層，生成均勻的殘余壓應力，表面粗糙度大幅降低，進一步提高了焊接接頭的綜合性能；