[發明專利]一種預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材制造方法

在審

• 申請號: 202110354228.0
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113042876A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 張會杰;劉旭;孔旭亮;高秋志;宮明龍
• 申請（專利權）人: 東北大學秦皇島分校
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/24;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 王麗瓊

一種預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材制造方法，所屬攪拌摩擦焊領域，本發明設計異質金屬夾層為原子半徑與增材基板或增材復板的第一微量元素的原子半徑r差值的絕對值為x的純金屬箔，0＜x≤0.15r，使異質金屬夾層與增材基板和增材復板的界面間發生原子互相擴散并形成良好的固溶體而非硬脆性金屬間化合物，從而提高攪拌摩擦增材過程中發生位置遷移的鉤狀界面的結合強度，達到提高增材結構的力學性能的目的，并獲得高質量的攪拌摩擦搭焊接頭和優質的攪拌摩擦增材結構。本發明的增材制造方法操作方便，成本較低，具有良好的可實現性，適用于大范圍推廣應用。

技術領域

本發明屬于攪拌摩擦焊領域，特別涉及一種預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材制造方法。

背景技術

攪拌摩擦焊作為一種新型固相焊接技術，可以避免傳統熔焊中常見的氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，目前已廣泛應用于各類金屬的高質量焊接。隨著增材制造技術的快速發展，基于攪拌摩擦搭焊原理的攪拌摩擦增材制造技術也受到了越來越多的關注。在攪拌摩擦增材制造過程中，焊具攪拌針直接攪拌區域的初始搭接界面在焊具熱機綜合作用下發生破碎并形成新的增材區組織，而處于攪拌針邊緣的初始搭接界面則發生了垂直方向上的遷移并形成了一種弱結合狀態的鉤狀界面結構。增材區在承載過程中，鉤狀界面結構極易產生高度應力集中而開裂失效，從而降低材料力學性能。因此，提升鉤狀界面結構的結合強度對提高攪拌摩擦搭焊接頭乃至攪拌摩擦增材構件的性能都具有重要意義。

專利CN109877441A公開了一種通過對搭焊位置實施正反雙道次焊接來抑制初始搭接界面遷移的方法，雖然在削弱鉤狀界面結構方面取得了一定的效果，但這種方法對焊縫施加了兩次焊接熱作用，容易降低焊縫性能。專利CN104668765A公開了一種在鎂合金上下板搭接界面處預置鋅、錫或鋅-錫合金并通過焊接熱機作用使該中間層與鎂合金發生反應形成新型合金區的方法來提升搭焊界面的結合強度，由于該方法所形成的界面微結構以硬脆性的金屬間化合物為主，因此，對于攪拌摩擦搭焊接頭性能的提升效果有限。專利CN103521912A、CN108838510A和CN104400215A通過設計特殊形狀的焊具來改善塑化金屬在焊接過程中的流動行為，對于抑制攪拌摩擦搭焊界面遷移及鉤狀界面結構的形成起到了一定的作用，但是復雜的焊具設計勢必會增加焊接制造成本和焊接工藝的復雜性。

由于現有的抑制攪拌摩擦搭焊界面遷移及鉤狀界面結構形成的方法存在著熱軟化效應顯著、接頭性能偏低、焊接工藝復雜且成本高等不足，制約了攪拌摩擦焊作為一種先進增材制造方法的應用。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材制造方法，本發明主要通過異質金屬夾層與增材板材之間發生互擴散并形成固溶體冶金結合，從而提高增材界面的連接強度，實現了高質量的攪拌摩擦搭焊和優質的攪拌摩擦增材制造。其具體技術方案如下：

一種預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材制造方法，包含如下步驟：

步驟1：焊前準備

將增材基板、增材復板以及異質金屬夾層進行表面清理，將增材基板、異質金屬夾層和增材復板依次疊加放置在焊接工作臺上，形成“增材基板-異質金屬夾層-增材復板”結構的組件，其中“異質金屬夾層-增材復板”構成增材組件；而后用工裝夾具對所有組件進行裝卡定位；然后將焊具安裝在攪拌摩擦焊焊機主軸上，并調整至增材組件的初始位置；

所述異質金屬夾層為原子半徑與增材基板或增材復板的第一微量元素的原子半徑r差值的絕對值為x的純金屬箔，0＜x≤0.15r；

步驟2：增材焊接

啟動攪拌摩擦焊焊機主軸，使焊具沿焊接設計的直線或曲線路徑對增材組件實施焊接；設置攪拌摩擦焊的焊接參數為：焊機主軸傾角為0～3°，焊具的旋轉速度為500～8000r/min，焊具的行進速度為10～1000mm/min，焊具的軸肩壓入量為0.05～0.3mm；焊接結束后，得到“基板+復板”兩層結構的預置異質金屬夾層的攪拌摩擦增材構件；