[發(fā)明專利]基于豪克能和混合表面納米化技術(shù)的攪拌摩擦焊方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710122083.5
• 申請(qǐng)日: 2017-03-03
• 公開（公告）號(hào): CN106735858A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊建海;王敏轉(zhuǎn);張玉祥;裴永泉;陳家照;何禎鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍火箭軍工程大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K20/12
• 分類號(hào): B23K20/12;B23K20/24
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心61204
• 代理人: 顧潮琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質(zhì)量焊接。

背景技術(shù)

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種固相連接新工藝技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)熔化焊產(chǎn)生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節(jié)能環(huán)保、連接溫度低、焊后殘余應(yīng)力小以及接頭性能高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)認(rèn)為不可焊的高強(qiáng)鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質(zhì)量焊接，裝置示意圖如圖1。攪拌摩擦焊自發(fā)明起便受到了廣泛的關(guān)注，是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短的連接技術(shù)，被譽(yù)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(lǐng)域的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理是一個(gè)帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入對(duì)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(fā)生軟化，攪拌針的攪動(dòng)作用使接縫兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性流變和混合，通過(guò)焊接工具的前移形成密實(shí)無(wú)缺陷的焊縫。

金屬材料經(jīng)過(guò)攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)嵫h(huán)作用下，強(qiáng)化相發(fā)生了粗化或回溶，導(dǎo)致焊縫的熱機(jī)影響區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時(shí)，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進(jìn)一步影響了焊接接頭的綜合性能。

表面納米化作為表面強(qiáng)化的一種新手段，能夠在材料表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)層，獲得高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨等優(yōu)異性能。豪克能是一種由電能轉(zhuǎn)換的、高頻、高能量密度、振幅很小的超聲波能和沖擊能的復(fù)合能，豪克能技術(shù)是利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點(diǎn)，將豪克能作用在金屬零件表面進(jìn)行無(wú)研磨劑的研磨、強(qiáng)化和微小形變處理，一次加工即可使零件表面達(dá)到鏡面并實(shí)現(xiàn)改性的能量加工技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)合豪克能和混合表面納米化技術(shù)的攪拌摩擦焊方法，能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成較多的納米層區(qū)，減少因待焊基材焊接面不平整等引起“S”形線的形成率，改善焊接接頭表面粗糙度，提高攪拌摩擦焊接頭綜合性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

對(duì)待焊基材表面進(jìn)行研磨、拋光；然后進(jìn)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(duì)待焊基材表面進(jìn)行表面機(jī)械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進(jìn)行攪拌摩擦焊；焊接結(jié)束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過(guò)渡區(qū)域打磨光滑；采用豪克能技術(shù)對(duì)焊接接頭表面進(jìn)行處理，最終使材料表面粗糙度減小為0.01～0.2μm，表面顯微硬度大于300HV。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質(zhì)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(shí)間為0.1～300min。

所述的表面機(jī)械滾壓的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為20～200r/min，軸上裝有WC-Co硬質(zhì)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(zhuǎn)軸方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)速率為0.05～5mm/s，移動(dòng)最大距離為1～300mm，往復(fù)移動(dòng)一個(gè)來(lái)回為2次處理，滾壓次數(shù)1～100次，工作環(huán)境溫度為-50℃～100℃。

所述的攪拌摩擦焊分預(yù)焊和正式焊，預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長(zhǎng)度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)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。

所述豪克能技術(shù)的加工工具頭的振動(dòng)頻率是10～40KHz，振幅是5～30μm，沿橫軸移動(dòng)速度是5～30mm/min，沿縱軸移動(dòng)速度是10～200mm/min。

本發(fā)明的有益效果是：能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區(qū)，待焊基材待焊面表面粗糙度得到大幅減小，焊接產(chǎn)品的缺陷率得到降低，提高了焊縫中熱機(jī)影響區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)的性能，大幅降低了焊接接頭的表面粗糙度，達(dá)到提高焊接接頭綜合性能的目的，進(jìn)一步擴(kuò)展了豪克能和混合表面納米化技術(shù)在攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用范圍。