[發明專利]一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法

有效

• 申請號: 201910915467.1
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110653507B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 姬書得;馬琳;李清華;岳玉梅;宋崎;胡為;王留芳;熊需海
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02;B23K20/12;B23K20/26;B23K20/10
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

1.一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、通過前期大量試驗，將加工區材料種類、加工參數、固液比例及與之對應的扭矩數據存入計算機；通過機器學習，生成半固態加工在線檢測模型，并建立半固態加工模型數據庫；

步驟2、將待加工板材水平放置在墊板結構上并固定好；其中墊板結構由墊板與若干等尺寸的墊塊組成，等尺寸的墊塊放置于墊板的凹槽內，且與墊板的上表面平齊，位于中間位置相鄰的兩個墊塊之間設置有空隙形成板材懸空區域，進而在加工過程中攪拌針正下方為懸空；

步驟3、接通電源，使動態扭矩傳感器通電，并通過計算機設定扭矩范圍；開啟電阻絲輔熱裝置，并通過計算機設定初始功率值，通過計算機調節功率的所述電阻絲輔熱裝置安裝于攪拌針的主攪拌針的內部；啟動攪拌摩擦焊機的主電機，使攪拌摩擦加工工具系統的攪拌針旋轉；

步驟4、攪拌針以1000 ~ 70000轉/分的轉速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度為1 ~5mm/min，直到靜止軸肩端面與加工板材上表面緊密貼合后，再沿垂直板材表面的方向繼續下壓0.1 ~ 0.3mm；

步驟5、超聲換能器的超聲波通過攪拌針直接傳遞到待加工區域，超聲波參數如下：頻率為40 ~ 80K、振幅為20 ~ 60μm；

步驟6、當攪拌加工工具系統達到設定的下扎深度時，攪拌針即停止下扎并繼續旋轉3~ 8min進行材料預熱，然后攪拌針以50 ~ 500mm/min的速度沿著板材縱向方向從左至右往返梯次向前運動，直到整個板材表面加工完畢為止；加工過程中，實時扭矩傳感器進行加工區的扭矩采集，之后與半固態加工模型數據庫進行匹配，當扭矩值在設定范圍內時，維持當前工藝參數不變；當扭矩數值高于設定范圍時，增大電阻絲輔熱裝置的功率；當扭矩數值低于設定范圍時，減小電阻絲輔熱裝置的功率；通過閉環反饋不斷地調節電阻絲輔熱裝置的功率，使測得的扭矩值處于設定范圍內直至加工完成。

2.根據權利要求1所述的一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，其特征在于：所述攪拌加工工具系統包括攪拌針、超聲換能器、超聲變幅桿、電阻絲輔熱裝置、靜止軸肩及攪拌摩擦加工設備外殼，所述超聲換能器一端與超聲變幅桿固定安裝，超聲變幅桿另一端與攪拌針固定安裝，攪拌針由連接在一起的攪拌針軸、主攪拌針和輔助攪拌針三部分組成，攪拌針軸一端與超聲變幅桿相連，另一端與主攪拌針的大徑端相連，且主攪拌針最大直徑小于攪拌針軸的直徑以使攪拌針軸底部形成旋轉小軸肩，主攪拌針的小徑端與輔助攪拌針相連，攪拌針軸上同軸套裝有靜止軸肩；所述攪拌摩擦加工設備外殼內壁通過螺栓依次設有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上安裝有主電機，第二支撐板上安裝有動態扭矩傳感器，主電機通過動態扭矩傳感器與攪拌加工工具系統的超聲換能器連接，扭矩傳感器的輸出端與計算機相連，計算機與電阻絲輔熱裝置相連。

3.根據權利要求1所述的一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，其特征在于：所述的主攪拌針為圓錐臺狀結構，且外表面為鋸齒狀結構；主攪拌針的最大直徑d₂為1.2 ~ 1.5倍板材厚度T，且錐角小于5°，在主攪拌針的內部裝有可通過計算機調節功率的電阻絲輔熱裝置；主攪拌針最大直徑處到輔助攪拌針端面最高點的距離H₁比板材厚度T大0.2 ~ 0.5mm，且主攪拌針的最大直徑處到輔助攪拌針頂點的距離H₂與主攪拌針最大直徑處到輔助攪拌針端面最高點的距離H₁之差比墊塊厚度H₃小2 ~ 6mm。

4. 根據權利要求2所述的一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，其特征在于：所述的輔助攪拌針為圓錐體狀結構；輔助攪拌針的最大直徑d₃為主攪拌針最大直徑d₂的1.3 ~ 2倍，上端兩條母線的最大夾角β為140°~ 160°，下端兩條母線的最大夾角α為90°~ 120°。

5.根據權利要求1所述的一種制備超細晶/納米晶板材的半固態加工工藝方法，其特征在于：通過所述主攪拌針內的電阻絲輔熱裝置在半固態加工過程中對焊接熱輸入進行調控，使材料處于固液比例可控、可調的狀態，而調控所需的電阻絲功率通過半固態加工模型數據庫來獲取。