一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，其目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的攪拌頭耐磨性差等問題。所提出的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭由兩種完全不同成分和性能的材料組成，軸肩（2）和夾持部位（1）采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針（3）采用c-BN超硬耐磨復(fù)合材料。其中，c-BN超硬耐磨復(fù)合材料由粉狀粘結(jié)合金與c-BN顆粒配比混合，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備，粉狀粘結(jié)合金與c-BN顆粒配比為c-BN顆粒占總體積的10-30％。其粘結(jié)合金以鎳Ni為基礎(chǔ)合金成分，添加鈷Co、鈦Ti、銦In構(gòu)成高溫鎳基合金，按重量百分比計(jì)算Wt％，粘結(jié)合金成分為，Co：25-30；Ti：15-20；In：0.5-2；Ni：余量。應(yīng)用該技術(shù)可以提高攪拌頭的耐磨性和抗沖擊性。
【專利說明】一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種可提高攪拌頭耐磨性的雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，屬于焊接與連接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊接是利用機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱源作為連接金屬材料的一種焊接方法，其原理是由一個(gè)圓柱體形狀的攪拌頭伸入工件的連接區(qū)，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)與被焊接金屬材料摩擦，使連接部位的金屬材料局部產(chǎn)生摩擦熱和發(fā)生高溫塑性變形，連接區(qū)金屬材料通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶，最后形成金屬間連接。攪拌摩擦焊接作為一種固相焊接方法，焊接時(shí)的溫度相對較低，焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和變形較小，可避免熔化焊接帶來的諸多焊接性問題；同時(shí)，焊接過程中不需要填充其它焊接材料，非常適合焊接一些組織與性能對溫度和成分變化極為敏感的金屬材料，如熱處理強(qiáng)化鋁合金、鎂合金及鈦合金等。
[0003]攪拌摩擦焊接對設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是實(shí)現(xiàn)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對運(yùn)動(dòng)。因此，攪拌摩擦焊接的核心部件就是攪拌頭。攪拌頭由夾持部分、軸肩和攪拌針組成。攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針要旋轉(zhuǎn)著插入工件被焊金屬材料的連接部位，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間產(chǎn)生摩擦熱使攪拌頭前面的金屬材料發(fā)生高溫塑性變形。攪拌頭軸肩可以和工件表面相互摩擦產(chǎn)生摩擦熱，并防止攪拌頭在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)塑性變形的金屬材料從焊縫區(qū)噴射出來，同時(shí)起到清除表面氧化膜的作用。隨著攪拌頭的移動(dòng)，高溫塑性變形的金屬材料流向攪拌頭的背后，攪拌頭后方的金屬材料冷卻后形成固態(tài)焊縫。
[0004]攪拌頭作為攪拌摩擦焊接生產(chǎn)中的易耗品，不僅消耗量大，而且其質(zhì)量的好壞直接影響焊接質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是攪拌摩擦焊接技術(shù)的核心，也是攪拌摩擦焊接工藝中最重要技術(shù)之一，對焊縫成形質(zhì)量和金屬流動(dòng)性有重要的影響。攪拌頭材料應(yīng)具有熱強(qiáng)性、耐磨性、抗蠕變性、耐沖擊性、易加工性、材料惰性、熱穩(wěn)定性、摩擦效果優(yōu)良等特性。合適材料的攪拌頭能夠增加摩擦，提高熱量的輸入，有利于焊縫金屬材料高溫塑性變形和提高焊接質(zhì)量。
[0005]近幾年，攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直受到焊接工作者和攪拌摩擦焊接工藝使用者的關(guān)注，并在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文，見[I] Journal of Materials Processingtechnology,2006,178(1-3):342-349 ; [2]Materials Transactions,2005, 46(10):2211-2217 ； [3]Proceedings of the Japan Welding Society,2005,23(2): 186-193等學(xué)術(shù)期刊。相關(guān)發(fā)明專利也很多，如中國專利201310410290.2,201180065081.8,201310316992.4等。查閱已有文獻(xiàn)可見，可用作攪拌摩擦焊接的攪拌頭材料很多，均為耐磨性較好且具有一定高溫?zé)岱€(wěn)定性能的金屬材料，如熱處理的工具鋼、模具鋼、鎳基合金、WC-Co合金鋼、純鎢、鑰合金、Co-Al-W合金以及采用兩種金屬材料組合的攪拌頭(軸肩采用模具鋼，攪拌針材料為WC-Co合金鋼等)。另外，攪拌頭的攪拌針在摩擦焊過程中不僅提供熱輸入，而且起到機(jī)械攪拌作用，攪拌針的形貌和幾何尺寸影響著高溫塑性軟化金屬材料的流動(dòng)形式和被切削材料的體積，進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能。隨著焊接工作者和攪拌摩擦焊接工藝使用者對攪拌摩擦焊接越來越深入的研究，設(shè)計(jì)出了多種形貌和幾何尺寸攪拌針，如柱形攪拌針、錐形螺紋攪拌針、三槽錐形螺紋攪拌針、偏心圓攪拌針、偏心圓螺紋攪拌針和非對稱攪拌針等。由于金屬材料的耐磨性是非常有限的，因此現(xiàn)有技術(shù)采用的單一金屬材料或雙金屬材料制造的攪拌頭很難同時(shí)滿足對高溫?zé)岱€(wěn)定性和耐磨性的要求。而且攪拌針在摩擦焊接過程中磨損最為嚴(yán)重，尺寸變化將改變焊接熱輸入量，最終影響著高溫塑性軟化金屬材料的流動(dòng)形式和被切削材料的體積，結(jié)果使接頭力學(xué)性能發(fā)生變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種采用兩種完全不同成分和性能的材料組合而成的組合式攪拌頭。其中，軸肩(2)和夾持部位(I)采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針(3)采用立方氮化硼(簡稱c-BN)超硬耐磨復(fù)合材料，最后通過焊接工藝將熱處理的合金工具鋼與c-BN超硬耐磨復(fù)合材料連接起來形成組合式攪拌頭。
[0007]本發(fā)明的上述目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
[0008]1、一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，其中攪拌頭由兩種完全不同成分和性能的材料組成，軸肩(2)和夾持部位(I)采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針
(3)采用c-BN超硬耐磨復(fù)合材料；該超硬耐磨復(fù)合材料的粘結(jié)合金以鎳Ni為基礎(chǔ)合金成分，添加鈷Co、鈦T1、銦In構(gòu)成高溫鎳基合金，按重量百分比計(jì)算Wt%，粘結(jié)合金成分為，Co:25-30 ；T1:15-20 ；In:0.5-2 ；N1:余量。
[0009]2、所述的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，包括以下工藝步驟:
[0010]第一步，應(yīng)用熱處理的工具鋼加工制造攪拌頭的軸肩(2)和夾持部位(I)；
[0011]第二步，采用顆粒大小為30 - 50 μ m，純度為99.99%的N1、Co、T1、In金屬混合制備成粉狀粘結(jié)合金；其中，c-BN顆粒尺寸應(yīng)選擇在80 — 120 μ m范圍內(nèi)；將制備好的粉狀粘結(jié)合金再與c-BN顆?；旌暇鶆颍捎梅烹姷入x子燒結(jié)技術(shù)制備c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，制造攪拌針(3);
[0012]第三步，將軸肩(2 )和夾持部位(I)與攪拌針(3 )連接起來形成雙材料組合式攪拌頭。
[0013]3、所述的制造攪拌針(3)的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，其c-BN顆粒與粘結(jié)合金的體積之比為c-BN顆粒占總體積的10-30%。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
[0015]本發(fā)明所提出的組合式攪拌頭軸肩和夾持部位采用熱處理的合金工具鋼制造，既可保持夾持部分(I)的剛性，又可保持軸肩(2)的耐磨性。本發(fā)明所述加工制造攪拌針(3)采用的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料具有良好的致密性、極好的抗沖擊性和耐磨性，采用阿基米德排水法測得的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料致密度均大于90% ;在磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，c-BN超硬耐磨復(fù)合材料的耐磨性是熱處理的合金工具鋼耐磨性的6-10倍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的攪拌頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中:1、夾持部位；2、軸肩；3、攪拌針?！揪唧w實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】:
[0019]一、參閱圖1，本發(fā)明所述的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭，攪拌頭采用兩種完全不同成分和性能材料組合而成:軸肩(2)和夾持部位(I)采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針(3)采用立方氮化硼(簡稱:c-BN)超硬耐磨復(fù)合材料，最后通過焊接工藝將熱處理的合金工具鋼與c-BN超硬耐磨復(fù)合材料連接起來形成組合式攪拌頭。
[0020]二、所述的熱處理的合金工具鋼易于鍛造成形，切削加工性好，具有紅硬性高、耐磨性好、強(qiáng)度高等特性。熱處理后的合金工具鋼硬度可達(dá)63-65HRC，采用熱處理的合金工具鋼加工制造攪拌頭的夾持部分(2)和軸肩部位(1)，即可保持夾持部分(2)的剛性，又可保持軸肩(I)的耐磨性。
[0021]三、所述的加工制造攪拌針的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，選擇c-BN作為增強(qiáng)相是因?yàn)槠溆捕葍H低于金剛石，密度低(3.486g/cm3)，具有優(yōu)越的物理、化學(xué)、力學(xué)和高溫?zé)岱€(wěn)定性能，在大氣中加熱至1000°C時(shí)不發(fā)生氧化。
[0022]四、所述的加工制造攪拌針的C-BN超硬耐磨復(fù)合材料，其合金元素的選擇和高溫粘結(jié)合金成分的確定非常重要，需要同時(shí)兼顧粘結(jié)合金的高溫性能并與c-BN顆粒能夠燒結(jié)形成致密的高溫耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明所述的加工制造攪拌針(3)的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，所采用的粘結(jié)合金以鎳為基礎(chǔ)合金成分，添加鈷(Co)、鈦(Ti )、銦(In)構(gòu)成高溫鎳基合金，粘結(jié)合金成分(按重量百分比計(jì)算Wt%):Co:25-30 ；T1:15-20 ；In:0.5-2 ；N1:余量。其原因是，Ni具有較好的延展性、高溫性、抗腐蝕性和抗氧化性能，鎳基合金常用于制造高溫工作的零件和高溫?zé)Y(jié)粘結(jié)合金；鈷延展性好，且與鎳互溶性較好，在高溫下能保持其原有的強(qiáng)度；Ti的延展性也非常好且是活性元素，高溫?zé)Y(jié)能與c-BN增強(qiáng)相發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，提高粘結(jié)合金與c-BN增強(qiáng)相結(jié)合性能；In是表面活性物質(zhì)，熔點(diǎn)低(156°C)，可塑性和導(dǎo)熱性好，表面容易先期活化和熔化并在粉體接觸點(diǎn)形成焊接態(tài)，提高復(fù)合材料的致密性。
[0023]五、所述的加工制造攪拌針的c-ΒΝ超硬耐磨復(fù)合材料將采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備。具體方法為:采用顆粒大小為30 - 50 μ m，純度為99.99%的N1、Co、T1、In金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。其中，粘結(jié)合金成分(按重量百分比計(jì)算觀):Co:25-30 ；T1:15-20 ；In:0.5-2 ；N1:余量。將按設(shè)計(jì)成分制備好的粉狀粘結(jié)合金再與c-BN顆粒按一定配比混合均勻，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備c-BN超硬耐磨復(fù)合材料。采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)制備c-BN耐磨復(fù)合材料的常規(guī)工藝參數(shù)為:真空度必須控制在2 X KT2Pa以上，燒結(jié)溫度700-1000°C，軸向壓力20_30MPa，保溫時(shí)間3_10min。
[0024]六、所述的c-BN顆粒的顆粒尺寸選擇在80-120 μ m范圍內(nèi)，c-BN顆粒與粉狀粘結(jié)合金的體積之比控制為c-BN顆粒占總體積的10-30%。其原因如下:粘結(jié)合金與c-BN的顆粒尺寸對耐磨復(fù)合材料的性能有一定影響，即，顆粒尺寸小可以提高c-BN超硬耐磨復(fù)合材料的粘結(jié)合金與c-BN顆粒的結(jié)合強(qiáng)度及攪拌針表面的比表面積，從而增加攪拌針與工件之間摩擦系數(shù)，提高機(jī)械摩擦熱效率。當(dāng)顆粒尺寸過小，粉狀粘結(jié)合金由于比表面積增大易氧化反而會降低粘結(jié)合金與c-BN顆粒的結(jié)合強(qiáng)度。此外，c-BN超硬耐磨復(fù)合材料體內(nèi)的c-BN顆粒與粉狀粘結(jié)合金的體積之比對性能也有一定的影響，即，c-BN顆粒與粉狀粘結(jié)合金的體積之比增加可以提高c-BN超硬耐磨復(fù)合材料的耐磨性，從而提高攪拌針的耐磨性。實(shí)際應(yīng)用過程中也應(yīng)考慮軸肩與攪拌針的等壽命。
[0025]七、所述的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭，其具體的制造工藝步驟為:
[0026]第一步，加工制造攪拌頭的軸肩(2)和夾持部位(I)。采用市售熱處理的合金工具鋼通過鍛造和機(jī)械加工工藝加工制造攪拌頭的軸肩(2)和夾持部位(I)。熱處理后的合金工具鋼硬度可達(dá)63-65HRC，采用熱處理的合金工具鋼加工制造攪拌頭的軸肩(2)和夾持部位(I )，即可保持軸肩的耐磨性，又可保持夾持部分的剛性。
[0027]第二步，加工制造攪拌針的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料。采用顆粒大小為30 — 50 μ m,純度為99.99%的N1、Co、T1、In金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。粘結(jié)合金成分(按重量百分比計(jì)算Wt%):Co:25-30 ；T1:15-20 ；In:0.5-2 ；N1:余量。c-BN顆粒尺寸選擇在80-120 μ m范圍內(nèi)，c-BN顆粒與粉狀粘結(jié)合金的體積之比控制為c_BN顆粒占總體積的10-30%。將按設(shè)計(jì)成分制備好的粉狀粘結(jié)合金再與c-BN顆粒按一定配比混合均勻，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備c-BN超硬耐磨復(fù)合材料。采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)制備c-BN耐磨復(fù)合材料的常規(guī) 工藝參數(shù)為:真空度必須控制在2 X 1^2Pa以上，燒結(jié)溫度700-1000°C，軸向壓力20-30MPa，保溫時(shí)間3-10min。表1是加工制造攪拌針的c-ΒΝ超硬耐磨復(fù)合材料成分及其性能。
[0028]第三步,采用市售焊接材料將熱處理的工具鋼與c-BN超硬耐磨復(fù)合材料連接起來形成雙材料組合式攪拌頭。
[0029]表1加工制造攪拌針的c-ΒΝ超硬耐磨復(fù)合材料成分及其性能
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，其特征在于攪拌頭由兩種完全不同成分和性能的材料組成，軸肩(2)和夾持部位(I)采用熱處理的合金工具鋼，攪拌針(3)采用c-BN超硬耐磨復(fù)合材料；該超硬耐磨復(fù)合材料的粘結(jié)合金以鎳Ni為基礎(chǔ)合金成分，添加鈷Co、鈦T1、銦In構(gòu)成高溫鎳基合金，按重量百分比計(jì)算Wt%，粘結(jié)合金成分為，Co:25-30 ；T1:15-20 ；In:0.5-2 ；N1:余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，其特征在于，包括以下工藝步驟: 第一步，應(yīng)用熱處理的工具鋼加工制造攪拌頭的軸肩(2)和夾持部位(I)； 第二步，采用顆粒大小為30 - 50 μ m，純度為99.99%的N1、Co、T1、In金屬混合制備成粉狀粘結(jié)合金；其中，c-BN顆粒尺寸應(yīng)選擇在80 — 120 μ m范圍內(nèi)；將制備好的粉狀粘結(jié)合金再與c-BN顆?；旌暇鶆颍捎梅烹姷入x子燒結(jié)技術(shù)制備c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，制造攪拌針(3); 第三步，將軸肩(2)和夾持部位(I)與攪拌針(3)連接起來形成雙材料組合式攪拌頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙材料組合式攪拌摩擦焊接攪拌頭及其制造工藝，其特征在于，制造攪拌針(3)的c-BN超硬耐磨復(fù)合材料，其c-BN顆粒與粘結(jié)合金的體積之比為c-BN顆粒占總體積的10-30 %。
【文檔編號】B23K20/12GK103920984SQ201410134221
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】尹善文, 韓秀紅, 姚漢偉, 范志強(qiáng), 蔣志巖 申請人:長春三友汽車部件制造有限公司