專利名稱：一種攪拌摩擦焊的攪拌頭及其超細晶制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及焊接技術和表面工程領域，特別是一種攪拌摩擦焊的攪拌頭和電磁振動原 位復合電磁場作用攪拌摩擦焊接方法與超細晶制備方法和設備。
背景技術：
1991年英國焊接研究所(TWI)的W.M. Thomas發(fā)明了攪拌摩擦焊技術，并在中國取得 了專利授權(ZL95192193.2)，這種來源于機械冷加工制造工藝、基于固相連接的新型焊 接技術具有明顯的優(yōu)越性，使其成為近二十年內在世界范圍內得到快速發(fā)展與廣泛工程應 用的焊接技術之一。攪拌摩擦焊的工業(yè)應用主要集中在鋁合金領域，隨著其應用領域、連 接對象和材料的不斷擴展，攪拌摩擦焊技術在低熔點的有色金屬中得到了成功的拓展。攪 拌摩擦焊技術并沒有如早先樂觀估計的那樣在船舶、管道、卡車、鐵路、交通等領域成為 最具吸引力的制造技術而取得眾多的應用成果，攪拌摩擦焊接較高熔點的金屬材料(如鋼 材等)，是目前所面臨的挑戰(zhàn)，這是攪拌摩擦焊進一步拓展應用領域所必須要解決的問題。 同時，即使是在低熔點的有色金屬的攪拌摩擦焊接時，也存在焊接缺陷，工藝要求比較苛 刻，焊接的工藝窗口較窄，攪拌摩擦設備復雜，攪拌摩擦焊接技術的實際應用受到局限。
另一方面，對于超細晶材料，由于尺寸的減小，產生表面效應、量子尺寸效應、體積 效應和量子隧道效應等，使材料表現出傳統(tǒng)固體不具有的化學性能、機械性能、電學性能、 磁學性能和光學性能等特異性能。由于超細晶材料或納米材料特殊的性能，將細晶技術和 超細晶材料應用到工業(yè)生產的各個領域，使產品性能發(fā)生改變或較大程度的提高，利用細 晶科技對傳統(tǒng)工業(yè)，特別是對重工業(yè)進行改造，給傳統(tǒng)產業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。
目前，在金屬材料表面制備超細或納米組織結構層的常用方法是涂層法和機械研磨 法，利用涂層法在金屬材料表面制備的納米層與集體的結合強度有限，容易脫落，并且生 產成本比較高，設備復雜，不適工程機構表面的合大面積大厚度納米組織結構材料的制備 與處理。而機械研磨法產生的納米結構層厚度有限，同時納米組織沿厚度方向不均勻而成 為一種梯度分布模式，不能處理較大形狀的工件，操作麻煩、消耗材料大成本高，不適合大批量工業(yè)化的實際需要。
劇烈塑性變形法是制備超細晶和納米晶金屬材料的有效方法，在常溫或相對較低溫度 下就可獲得超細晶或者納米晶組織材料，主要包括高壓扭轉塑性變形法和等徑側向擠壓法 等。采用劇烈塑性變形法制備超細晶或者納米晶組織材料的關鍵是獲得大應變速率、大應 變程度和較低變形溫度的變形條件，但是在具體實施過程中，為了得到大厚度和大面積的 大塊超細晶或者納米晶組織材料，使整塊金屬材料都處于上述變形條件是非常困難的。
如何將攪拌摩擦焊接技術應用于超細晶材料或納米材料的制備引起了科技工作者的
關注，作為劇烈塑性變形制備超細晶材料或納米材料技術之--使用常規(guī)的攪拌摩擦技
術制備超細晶材料或納米材料受到許多局限，例如，只能在低熔點的有色金屬材料表面制 備超細晶粒組織，沿厚度方向組織不均勻和納米晶層較薄，塑性變形后的細小晶粒容易長 大變成粗晶組織，這就是采用攪拌摩擦技術利用其劇烈塑性變形制造超細晶材料或納米材 料目前所面臨的主要問題。

發(fā)明內容
針對現有攪拌摩擦技術和劇烈塑性變形法制備金屬超細晶材料存在的上述不足，本發(fā) 明的目的是提供一種高效、低成本、高穩(wěn)定性、優(yōu)質的攪拌摩擦焊接的攪拌頭及其一種新 型的攪拌摩擦焊接方法、劇烈塑性變形制備大厚度大面積納米材料的方法與設備，以便突 破常規(guī)攪拌摩擦焊接技術和表面工程技術的局限性，及其對攪拌頭高昂的材料制備成本、 苛刻的工藝條件、較短的使用壽命的牽制，解決高熔點金屬攪拌摩擦焊接的攪拌頭對高品 質材料和復雜制備技術的依賴，并豐富低熔點輕合金攪拌摩擦焊接的質量控制手段，實現 攪拌摩擦焊接的高質量與低成本的有效合理匹配，解決常規(guī)攪拌摩擦焊接的攪拌頭成本 高、壽命低、焊接高熔點金屬困難的技術問題和高熔點金屬表面攪拌摩擦劇烈塑性變形法 制備大厚度大面積超細晶或納米材料的難題，完善攪拌摩擦焊接技術，從而在固相焊接領 域和表面工程領域開拓新的工程應用范圍，為使用成熟的機械加工技術提供劇烈塑性變形 制備納米材料新技術。
本發(fā)明的技術方案如下
本發(fā)明提供了一種攪拌摩擦焊的攪拌頭，包括攪拌頭本體和位于攪拌頭本體下部的軸 肩和攪拌針，還包括電磁振動系統(tǒng)、電磁作用系統(tǒng)、內部強制冷卻系統(tǒng)、氣體保護強制冷 卻系統(tǒng)、溫度感應系統(tǒng)和密封絕緣系統(tǒng)，是一種電磁振動原位復合電磁作用、強制溫度控 制、氣體保護、溫度檢測的集成式攪拌摩擦焊接的攪拌頭及其裝置。
6本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊的攪拌頭，所述電磁振動系統(tǒng)包括攪拌頭的本體上部設計成 E形結構，安裝在其內的電磁振動線圈，固定于摩擦焊機上的銜鐵，提供激磁電流的電磁 振動電源，以及由導電環(huán)、碳電刷、絕緣支撐架和絕緣塊構成的激磁電流通道；導電環(huán)材 料為紫銅，通過徑向摩擦焊接，將導電環(huán)與攪拌頭的本體連接成一體，碳電刷材料為添加 8-12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成型為銅基復合碳電刷；絕緣塊使導入電 磁振動線圈的正負極電流回路分離，電磁振動線圈通過導線與導電環(huán)連接；電磁振動電源 提供一定強度的交變電流，電磁振動線圈產生的磁場與銜鐵相互作用形成電磁力，而銜鐵 固定在焊機上不動，促使攪拌頭本體以一定的振幅和較高的頻率振動，通過攪拌頭本體將 電磁振動能量導入工件，在工件與攪拌頭的攪拌針和軸肩之間的接觸面上快速相對移動因 振動攪拌摩擦而使金屬發(fā)生塑性變形，用電磁振動與攪拌摩擦復合作用的方法實現材料的 連接。
本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊的攪拌頭，所述電磁作用系統(tǒng)由電磁振動系統(tǒng)和攪拌頭原位 復合構成，位于攪拌頭的本體上部的E形電磁振動機構，電磁振動線圈產生的一定強度和 頻率的交變磁場，通過攪拌頭的本體、攪拌針和軸肩得到增強并傳遞到工件，在工件的內 部形成分布的磁場，該磁場與攪拌摩擦過程相互作用，電磁作用復合攪拌摩擦過程共同影 響并作用焊縫攪拌摩擦塑性變形金屬內部的位錯運動過程，控制晶粒的回復、再結晶、長 大行為，形成優(yōu)質焊縫，完成對工件的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊接。
本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊的攪拌頭，所述氣體保護強制冷卻系統(tǒng)包括安裝在攪拌頭后 側面緊靠軸肩和工件位置的保護氣體冷卻噴管，從保護氣體冷卻噴管中噴出的冷卻保護氣 體介質直接冷卻焊縫后部的高溫金屬，在保證焊接金屬塑性應變速率的條件下控制焊縫金 屬的溫度，保證焊縫晶粒細化、減少缺陷，并避免焊縫金屬氧化起到氣體保護功能，實現 焊縫的優(yōu)質連接；所述內部強制冷卻系統(tǒng)包括設置于攪拌頭本體內部的一個中空結構的空 腔，入水管，套管和動密封絕緣組件組合集成，所述入水管用于將液體冷凝介質引入攪拌 頭的腔體內，并到達接近于攪拌針的攪拌頭本體的下部位置，套管為出水管，通過動密封 絕緣組件與旋轉的攪拌頭本體連接，使冷凝介質在攪拌頭內部空腔體內循環(huán)流動，實現對 攪拌頭本體和焊縫攪拌區(qū)塑變金屬的溫度控制。
本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊的攪拌頭，還設置有溫度感應系統(tǒng)，所述溫度感應系統(tǒng)是無 源無線的高溫傳感測量系統(tǒng)，由溫度傳感器，發(fā)射器和接受器構成，溫度傳感器是自耦合 電阻式溫度感應器，深埋植于攪拌頭的軸肩端面處，發(fā)射器位于攪拌頭本體上部與溫度傳 感器連接，可通過固定于摩擦焊機上的接受器接受信號并傳輸給控制計算機，并利用計算機實現攪拌針及其附近溫度的實時無源無線電阻式感應溫度檢測；絕緣還包括有密封絕緣 系統(tǒng)，所述密封絕緣系統(tǒng)主要包括動密封組件，絕緣支撐架和絕緣件以及設置于工件與焊 接平臺夾持之間的絕緣件，動密封絕緣組件設置于攪拌頭本體內部腔體的上部與套管和入 水管之間，動密封絕緣組件為唇型密封結構，同時具有絕緣、密封和運動三種特性，密封 絕緣系統(tǒng)保證焊機的安全，電磁振蕩系統(tǒng)的正常工作，實現對工件的電磁振動復合電磁作 用攪拌摩擦焊。
本發(fā)明提供了一種攪拌摩擦焊接方法，包括攪拌摩擦固相悍接方法，其特點在于，使 用了上述結構的攪拌摩擦焊的攪拌頭，是一種電磁振動原位復合電磁作用攪拌摩擦強制溫 度控制的焊接技術，具體方法是在攪拌頭本體上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈， 與固定在摩擦焊機上的銜鐵相互作用，使得攪拌頭作高速攪拌運動和一定強度頻率電磁振 動相結合的電磁振動攪拌摩擦復合運動，電磁振動線圈形成的交變電磁場又通過攪拌頭本 體的強化作用，從軸肩和攪拌針導入到工件內部，在工件內部形成一定強度的交變電磁場 作用，并在攪拌頭后部氣體保護強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制下限制晶粒長大，并保護焊縫金 屬不被氧化，形成細小的焊縫晶粒，從而使工件實現固相摩擦焊接。
本發(fā)明提供的上述方法，電磁振動線圈，通過電磁振動電源提供高頻或中頻、 一定強 度、時變的勵磁電流，形成一定強度的高頻或中頻電磁軸向振動或電磁徑向振動或扭振運 動，并通過攪拌頭本體的強化作用，通過軸肩和攪拌針導入工件內部，形成一定強度的高 頻或中頻時變磁場分布，對攪拌摩擦的焊縫成型形成電磁作用機制。
本發(fā)明提供的上述方法，強制冷卻介質為液態(tài)氮，或干冰，或高壓低溫惰性氣體，或 高壓低溫混合保護氣體，同時具備氣體保護的功能。
本發(fā)明還提供了一種劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶粒材料的方法，包括劇烈 攪拌摩擦塑性變形，其特點在于，使用了上述結構的攪拌摩擦焯的攪拌頭，是一種電磁振 動原位復合電磁作用劇烈攪拌摩擦強制冷卻溫度控制技術制備大厚度大面積金屬超細晶 材料的技術，具體方法是在攪拌頭上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈，與固定在摩 擦焊機上的銜鐵相互作用，使得攪拌頭作高速攪拌運動和一定頻率電磁振動相結合的電磁 振動攪拌摩擦復合運動，電磁振動線圈形成的高頻電磁場又通過攪拌頭的強化作用，從軸 肩和攪拌針導入到工件內部，在工件表面和內部形成一定強度的交變磁場，在該電磁振動 原位復合電磁作用機制下，并在攪拌頭后部氣體保護強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制金屬內部的 位錯運動，晶?；貜汀⒃俳Y晶與長大機制的共同作用下，工件表面一定厚度內粗晶組織發(fā) 生劇烈的塑性變形而破碎形成穩(wěn)定的超細晶組織，實現大厚度大面積組織均勻的金屬納米材料的制備。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1. 本發(fā)明提供了一種新型的攪拌頭，該攪拌頭集電磁振動、電磁場作用、強制冷卻控 制、氣體保護、劇烈塑性變形、溫度控制、參數檢測等多項重要功能于一體，是一種集成 式智能化的新型結構的攪拌頭，使用成本低、壽命長，通過多種控制手段解決攪拌摩擦焊 接區(qū)熔化、接頭熱輸入不足、攪拌頭溫度過高、接頭冷卻速度太快和焊接區(qū)金屬氧化等問 題，將電磁振動和電磁作用引入攪拌摩擦焊接，明顯提高攪拌頭的使用壽命，極大地降低 焊接成本，提高效率，并不需要增加一套焊接系統(tǒng)(如激光復合攪拌摩擦焊接技術、電弧 復合攪拌摩擦焊接技術那樣)，攪拌頭結構沒有大的改變，滿足接頭處于固相焊接的要求， 增強了接頭性能，實現了高效、優(yōu)質、低成本的高熔點金屬和輕合金攪拌摩擦焊接過程， 是一種綠色制造和可持續(xù)發(fā)展模式。
2. 本發(fā)明提供的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊方法和設備，是基于用電磁振動 與攪拌摩擦復合作用理論實現材料的固相摩擦連接，是電磁振動、電磁場作用、強制冷卻 控制、氣體保護、溫度控制等多種作用下攪拌摩擦焊接新方法，通過電磁振動攪拌頭在工 件的內部形成分布的電磁場，形成電磁作用復合電磁振動攪拌摩擦過程共同影響并作用焊 縫攪拌摩擦塑性變形金屬內部的位錯運動過程，控制晶粒的回復、再結晶、長大行為，控 制焊縫金屬的溫度，保證焊縫晶粒細化、減少缺陷，形成優(yōu)質焊縫，完成對工件的電磁振 動復合電磁作用攪拌摩擦焊接。
3. 本發(fā)明開拓了固相焊接工程領域新型攪拌摩擦焊接技術，突破了高熔點金屬攪拌 摩擦焊接高成本和低質量的兩個相互矛盾的限制，實現了高熔點金屬與低熔點金屬攪拌摩 擦焊接高效、優(yōu)質、低成本的有效協(xié)調與合理統(tǒng)一，降低了對攪拌頭材料使用與加工制備、 攪拌摩擦焊接工藝的苛刻要求，采用完善電磁振動摩擦復合焊接技術成功克服了普通攪拌
頭和攪拌摩擦接技術的使用局限，從而在可持續(xù)發(fā)展、滿足循環(huán)經濟需求的先進攪拌摩擦 技術工藝與設備的開發(fā)與實際利用方面作出了貢獻。
4. 本發(fā)明不僅在高熔點金屬攪拌摩擦焊接技術領域實現突破，而且拓展了攪拌摩擦焊 接的工程應用范圍，在表面工程領域的納米制造新技術中得到實際的應用和體現，能夠原 位復合制備超細晶或納米晶；在機械傳動件及機構、機械設備的制造與利用，關鍵部件修 復，先進材料的制備，資源的循環(huán)利用，以及綠色循環(huán)制造與裝備、表面工程等領域具有 廣闊的應用價值與發(fā)展前景。本發(fā)明實現高效、低成本、高質量、高穩(wěn)定性、多適用性、 多方式綜合易控的攪拌摩擦焊接過程。5.本發(fā)明提供的超細晶材料表面處理制備方法簡單，設備可靠，操作方便，易于控 制變形溫度、應變量和變形速度，可以獲得大厚度大面積組織結構均勻的納米材料，與整 塊金屬材料大變形技術所需的能量小，生產效率高，設備簡單，對傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊機設 備進行簡單的改造和必要的改進，優(yōu)化工藝參數就可獲得優(yōu)質的納米結構層和納米材料， 極大地降低了制備成本，提高攪拌頭的壽命；該方法和設備的適應性很強，可用于各種復 雜結構工件和機構的表面納米化處理，通過微觀結構的調整和變化強化金屬，不改變材料 的成分，制備后的表面質量高，納米組織均勻一致，并能達到一定厚度的納米結構層，滿 足了工業(yè)化的需求，也能實現較高熔點金屬材料表面大厚度大面積納米組織結構的處理與 金屬納米材料的制備。
總之，本發(fā)明通過提供一種新型電磁振動、原位復合電磁場作用、劇烈攪拌摩擦、溫 度控制實現了電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊新方法和設備，以及制備大厚度大面積金 屬納米晶材料和超細晶材料的先進方法和設備，利用電磁振動、電磁場控制相轉變、載流 攪拌摩擦、強制冷卻、劇烈大變形的綜合作用，消除采用常規(guī)攪拌摩擦焊接合劇烈塑性變 形納米制備技術的一系列難題，克服了高熔點金屬納米材料制備的成本問題，以及低熔點 金屬納米制備苛刻的工藝要求，提高了生產效率，節(jié)約了能量，實現了低成本、高效、優(yōu) 質、簡單、可靠、均勻、高性能焊接接頭盒大厚度大面積金屬納米晶材料和超細晶材料的
制備，拓展了攪拌摩擦學的工程應用領域。


圖1是本發(fā)明制備納米材料的方法和設備的示意圖中，1.攪拌頭；2.攪拌針；3.軸肩；4.電磁振動線圈；5.導電環(huán)；6.絕緣支撐 架；7.電源；8.入水管；9.動密封絕緣組件；10.套管；11.銜鐵；12.溫度傳感器；13. 發(fā)射器；14.絕緣塊；15.工件；16.噴管；17.碳電刷；18.腔體。
具體實施例方式
本發(fā)明主要包含一種電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌頭和電磁振動原位復 合電磁場作用攪拌摩擦焊接方法與超細晶材料制備方法和設備。 下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明。 一. 一種電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌頭
本發(fā)明的攪拌頭是集電磁振動、電磁場作用、強制冷卻控制、氣體保護、劇烈塑性變 形、溫度控制、參數檢測等多項重要功能于一體，是一種集成式智能化的新型結構的攪拌
10頭。
如圖1所示電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌頭包括攪拌頭1本體和位于攪 拌頭1本體下部的軸肩3和攪拌針2，還包括電磁振動系統(tǒng)、電磁作用系統(tǒng)、內部強制冷 卻系統(tǒng)、氣體保護強制冷卻系統(tǒng)、溫度感應系統(tǒng)和密封絕緣系統(tǒng)，是一種電磁振動原位復 合電磁作用、強制溫度控制、氣體保護、溫度檢測的集成式攪拌摩擦焊接的攪拌頭及其裝 置。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌頭所述電磁振動系統(tǒng)包括攪拌頭1的本體上 部設計成E形結構，安裝在其內的電磁振動線圈4，固定于摩擦焊機上的銜鐵ll，提供激 磁電流的電磁振動電源7，以及由導電環(huán)5、碳電刷17、絕緣支撐架6和絕緣塊14構成的 激磁電流通道；導電環(huán)5材料為紫銅，通過徑向摩擦焊接，將導電環(huán)5與攪拌頭1的本體 連接成一體，碳電刷17材料為添加8-12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成型為 銅基復合碳電刷17;絕緣塊14使導入電磁振動線圈4的正負極電流回路分離，電磁振動 線圈4通過導線與導電環(huán)5連接；電磁振動電源7提供一定強度的交變電流，電磁振動線 圈4產生的磁場與銜鐵11相互作用形成電磁力，而銜鐵ll固定在焊機上不動，促使攪拌 頭1本體以一定的振幅和較高的頻率振動，通過攪拌頭1本體將電磁振動能量導入工件15， 在工件15與攪拌頭1的攪拌針2和軸肩3之間的接觸面上快速相對移動因振動攪拌摩擦 而使金屬發(fā)生塑性變形，用電磁振動與攪拌摩擦復合作用的方法實現材料的連接。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌頭所述電磁作用系統(tǒng)由電磁振動系統(tǒng)和攪 拌頭原位復合構成，位于攪拌頭1的本體上部的E形電磁振動機構，電磁振動線圈4產生 的一定強度和頻率的交變磁場，通過攪拌頭1的本體、攪拌針2和軸肩3得到增強并傳遞 到工件15，在工件15的內部形成分布的磁場，該磁場與攪拌摩擦過程相互作用，電磁作 用復合攪拌摩擦過程共同影響并作用焊縫攪拌摩擦塑性變形金屬內部的位錯運動過程，控 制晶粒的回復、再結晶、長大行為，形成優(yōu)質焊縫，完成對工件15的電磁振動復合電磁 作用攪拌摩擦焊接。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌所述氣體保護強制冷卻系統(tǒng)包括安裝在攪 拌頭1后側面緊靠軸肩3和工件15位置的保護氣體冷卻噴管16，從保護氣體冷卻噴管16 中噴出的冷卻保護氣體介質直接冷卻焊縫后部的高溫金屬，在保證焊接金屬塑性應變速率 的條件下控制焊縫金屬的溫度，保證焊縫晶粒細化、減少缺陷，并避免焊縫金屬氧化起到 氣體保護功能，實現焊縫的優(yōu)質連接；所述內部強制冷卻系統(tǒng)包括設置于攪拌頭1本體內 部的一個中空結構的空腔18,入水管8，套管10和動密封絕緣組件9組合集成，所述入水管8用于將液體冷凝介質引入攪拌頭1的腔體18內，并到達接近于攪拌針2的攪拌頭 本體的下部位置，套管10為出水管，通過動密封絕緣組件9與旋轉的攪拌頭1本體連接， 使冷凝介質在攪拌頭內部空腔體內循環(huán)流動，實現對攪拌頭1本體和焊縫攪拌區(qū)塑變金屬 的溫度控制。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的攪拌還設置有溫度感應系統(tǒng)，所述溫度感應系統(tǒng) 是無源無線的高溫傳感測量系統(tǒng)，由溫度傳感器12,發(fā)射器13和接受器構成，溫度傳感 器12是自耦合電阻式溫度感應器，深埋植于攪拌頭l的軸肩3端面處，發(fā)射器13位于攪 拌頭l本體上部與溫度傳感器12連接，可通過固定于摩擦焊機上的接受器接受信號并傳 輸給控制計算機，并利用計算機實現攪拌針2及其附近溫度的實時無源無線電阻式感應溫 度檢測；絕緣還包括有密封絕緣系統(tǒng)，所述密封絕緣系統(tǒng)主要包括動密封組件9，絕緣支 撐架6和絕緣件14以及設置于工件15與焊接平臺夾持之間的絕緣件，動密封絕緣組件9 設置于攪拌頭1本體內部腔體18的上部與套管10和入水管8之間，動密封絕緣組件9為 唇型密封結構，同時具有絕緣、密封和運動三種特性，密封絕緣系統(tǒng)保證焊機的安全，電 磁振蕩系統(tǒng)的正常工作，實現對工件15的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊。
二. 一種電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊方法
如圖1所示電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法，包括攪拌摩擦固相焊接方法， 電磁振動原位復合電磁作用攪拌摩擦強制溫度控制的焊接技術，具體方法是在攪拌頭1本 體上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈4,與固定在摩擦焊機上的銜鐵11相互作用， 使得攪拌頭1作高速攪拌運動和一定強度頻率電磁振動相結合的電磁振動撹拌摩擦復合運 動，電磁振動線圈4形成的交變電磁場又通過攪拌頭1本體的強化作用，從軸肩3和攪拌 針2導入到工件15內部，在工件15內部形成一定強度的交變電磁場作用，并在攪拌頭l 后部氣體保護強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制下限制晶粒長大，并保護焊縫金屬不被氧化，形成 細小的焊縫晶粒，從而使工件15實現固相摩擦焊接。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法的電磁振動線圈4，通過電磁振動電源7提 供高頻或中頻、 一定強度、時變的勵磁電流，形成一定強度的高頻或中頻電磁軸向振動或 電磁徑向振動或扭振運動，并通過攪拌頭l本體的強化作用，通過軸肩3和攪拌針2導入 工件15內部，形成一定強度的高頻或中頻時變磁場分布，對攪拌摩擦的焊縫成型形成電 磁作用機制。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法的強制冷卻介質為液態(tài)氮，或干冰，或高壓 低溫惰性氣體，或高壓低溫混合保護氣體，同時具備氣體保護的功能。
12三.金屬材料表面納米晶粒組織和納米材料的制備方法和設備
本發(fā)明是集電磁振動、電磁場作用、強制冷卻控制、氣體保護、劇烈塑性變形、溫度 控制、參數檢測等多項重要功能于一體的集成式智能化簡單的金屬材料表面納米晶粒組織 的制備方法和設備。
如圖l所示劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶粒材料的方法包括劇烈攪拌摩擦 塑性變形，電磁振動原位復合電磁作用劇烈攪拌摩擦強制冷卻溫度控制技術制備大厚度大 面積金屬超細晶材料，具體方法是在攪拌頭1上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈4, 與固定在摩擦焊機上的銜鐵11相互作用，使得攪拌頭1作高速攪拌運動和一定頻率電磁 振動相結合的電磁振動攪拌摩擦復合運動，電磁振動線圈4形成的高頻電磁場又通過攪拌
頭l的強化作用，從軸肩3和攪拌針2導入到工件15內部，在工件15表面和內部形成一 定強度的交變磁場，在該電磁振動原位復合電磁作用機制下，并在攪拌頭l后部氣體保護 強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制金屬內部的位錯運動，晶?；貜?、再結晶與長大機制的共同作用 下，工件15表面一定厚度內粗晶組織發(fā)生劇烈的塑性變形而破碎形成穩(wěn)定的超細晶組織， 實現大厚度大面積組織均勻的金屬納米材料的制備。
劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶材料的設備包括攪拌頭1本體和位于攪拌頭1 本體下部的軸肩3和攪拌針2，還包括電磁振動系統(tǒng)、電磁作用系統(tǒng)、內部強制冷卻系統(tǒng)、 氣體保護強制冷卻系統(tǒng)、溫度感應系統(tǒng)和密封絕緣系統(tǒng)，是一種電磁振動原位復合電磁作 用、強制溫度控制、氣體保護、溫度檢測的集成式攪拌摩擦劇烈塑性變形的攪拌頭及其裝 置；
劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶材料的設備所述的電磁振動系統(tǒng)包括攪拌頭1 的本體上部設計成E形結構，安裝在其內的電磁振動線圈4，固定于摩擦焊機上的銜鐵ll， 提供激磁電流的電磁振動電源7，以及由導電環(huán)5、碳電刷17、絕緣支撐架6和絕緣塊14 構成的激磁電流通道；導電環(huán)5材料為紫銅，通過徑向摩擦焊接工藝，將導電環(huán)5與攪拌 頭1的本體連接成一體，碳電刷17材料為添加8-12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制 加工成型為銅基復合碳電刷17;絕緣塊14使導入電磁振動線圈4的正負極電流回路分離， 電磁振動線圈4通過導線分別與導電環(huán)5連接；電磁振動電源7提供一定強度的交變電流， 電磁振動線圈4產生的磁場與銜鐵11相互作用形成電磁力，而銜鐵11固定在焊機上不動， 促使攪拌頭1以一定的振幅和較高的頻率振動，通過攪拌頭1將電磁振動能量導入工件15, 在工件15與攪拌頭1的攪拌針2和軸肩3之間的接觸面上快速相對移動因振動攪拌摩擦 而使金屬發(fā)生劇烈塑性變形，用電磁振動與攪拌摩擦復合作用的方法制備大厚度大面積的超細晶材料。
四.共性問題
本發(fā)明的電磁振動線圈4，通過電磁振動電源7提供高頻或中頻、 一定強度、時變的 勵磁電流，形成一定強度的高頻或中頻電磁軸向振動或電磁徑向振動或扭振運動，并通過 攪拌頭1的強化作用，通過軸肩3和攪拌針2導入工件15內部，形成一定強度的高頻或
中頻時變磁場分布。
電源7提供的載流為普通直流電流，通過攪拌頭1的軸肩3和攪拌針2導入工件15
內部形成的直流分布電場；
或者，載流為工頻交流電流，在工件15內部形成工頻交流分布電場； 或者，載流為中頻交流電流，在工件15內部形成中頻交流分布電場； 或者，載流為高頻交流電流，在工件15內部形成中頻交流分布電場； 或者，載流為直流脈沖電流，在工件15內部形成脈沖頻率、占空比、脈沖時間、脈
沖幅值變化的直流脈沖分布電場；
或者，載流為變極性脈沖直流電流，在工件15內部形成極性、脈沖頻率、占空比、
脈沖時間、脈沖幅值變化的變極性脈沖分布電場；
或者，載流為變極性脈沖直流電流，在工件15內部形成極性、脈沖頻率、占空比、
脈沖時間、脈沖幅值變化的變極性脈沖分布電場。
強制冷卻介質為液態(tài)氮，或干冰，或高壓低溫惰性氣體，或高壓低溫混合保護氣體，
同時具備氣體保護的功能。
攪拌頭1的基體采用不銹鋼材料，攪拌針2為錐形結構或者圓柱形結構； 在攪袢針表面和軸肩端面，采用Ti納米改性的PVD共同沉積MoS2/Ti納米復合膜， 或者，采用真空燒結氮化方法制備以納米TiN改性的Ti(C， N)基金屬陶瓷材料， 或者，使用PVD方法共同沉積的類石墨/Cr復合鍍層Graphit-iCTM， 或者，使用PVD方法制備的類金剛石納米復合膜，
對攪拌針2和軸肩3進行強化處理，以增強攪拌頭關鍵部位的抗磨損、抗氧化、抗高 溫的能力，大幅度提高攪拌頭的使用壽命。 本發(fā)明的方法和裝置，在以下方面的用途-
用于黑色和有色金屬及其合金材質的攪拌摩擦焊接，包括碳鋼，合金鋼，高溫合金， 不銹鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金； 用于常規(guī)攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點焊，攪拌摩擦塞焊；
14用于電磁振動攪拌摩擦焊接包括電磁振動攪拌摩擦點焊，電磁振動攪拌摩擦塞焊；
用于劇烈塑性變形制備超細晶?；蚣{米晶粒。
用于點焊、對接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；
用于表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處 理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表 面堆敷改性處理；
用于劇烈塑性變形制備超細晶?；蚣{米晶粒，包括髙熔點金屬材料和低熔點金屬材料 的超細晶?；蚣{米晶粒制備。
下面簡述一下本發(fā)明的基本原理和特點
本發(fā)明基本原理是在攪拌摩擦過程中，通過設計的電磁振動系統(tǒng)使攪拌頭工作在整 個裝置的諧振點附近(1)在電磁振動條件下，電磁振動的攪拌摩擦焊接的攪拌頭對摩擦 界面導以振動能量和振動的機械作用，動載荷的加入，在較小的靜壓力條件下有利金屬表 面粗晶組織的破碎細化成超細晶?；蚣{米結構，并且有利于納米組織結構的均勻化，提高 了生產效率，從而實現大厚度大面積納米材料的制備，并且有利于攪拌摩擦區(qū)域的塑性變 形和金屬的流動，焊縫晶粒細化，實現優(yōu)質攪拌摩擦焊接接頭；(2)在電磁場的作用下， 可以控制劇烈塑性變形細化的晶粒組織的回復、再結晶，相結構域相轉變，金屬塑變的織 構，以及晶粒內部位錯的產生、湮沒、重疊、交割、運動、增值、重排等過程細化晶粒至 納米至納米量級尺寸，并有利于實現無缺陷的攪拌摩擦焊縫；在電磁場的綜合作用下，可 以改變焊縫金屬凝固狀況和熱處理效果，改變凝固過程溫度分布，改善組織、相結構，促 使焊縫晶粒細化，減小化學不均勻性，降低缺陷，有利于提高焊縫韌塑性，形成優(yōu)質焊縫； (3)強制冷卻作用，控制劇烈塑性變形在較低的溫度條件下實現大變形過程，并且使粗 大的晶粒發(fā)生相變形成細小的納米晶粒，同時控制劇烈塑性大變形破碎形成的納米晶粒不 再長大，保證形成均勻一致的大厚度大面積的納米材料。
電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法和設備及其超細晶材料的制備技術有如下 優(yōu)點(1)電磁振動、電磁作用、與攪拌摩擦塑性變形復合共同作用，提高焊接接頭或納 米材料制備的質量，拓展攪拌摩擦焊接或者劇烈塑性變形制備納米材料的工藝窗口，增加 了方法和設備的適應性；(2)在高熔點金屬攪拌摩擦焊接或劇烈塑性變形制備納米材料過 程中，可以解決采用常規(guī)攪拌摩擦焊接方法或超細晶材料制備方法在攪拌區(qū)或界面處產熱 不足與塑變困難的問題，降低對攪拌頭材料和制造工藝的要求，減少攪拌頭成本，提高攪 拌頭使用壽命，實現低成本、優(yōu)質的焊接或制備過程；(3)從攪拌頭導入電磁振蕩能量，并不需要增加另外一套復雜的系統(tǒng)，設備結構簡單、沒有大的改變；電磁振動能量、電磁 場能量與摩擦熱同時產生與輸入，滿足工件金屬仍然處于固相狀態(tài)的要求，材料的化學成 分沒有發(fā)生改變，獲得無缺陷的焊接接頭或優(yōu)質大面積的納米材料，保持了攪拌摩擦焊接 或劇烈塑性變形制備納米材料的技術優(yōu)勢，本發(fā)明對與攪拌摩擦在我國航空航天、國防、 軍事等領域拓展應用具有重要意義。
五.具體實施例
下述實施例是按照本發(fā)明提供的方法和設備來實施的，但并不意味著是對本發(fā)明保護 范圍的限制。
例l:采用本方法和設備處理純銅材料，工藝參數如下攪拌頭轉數300-1500rmp，電 磁振動頻率為120-250Hz，電磁振動幅值為l-2mm，攪拌速度0.1-1.2m / min，液態(tài)氮氣 10-30L / min。
例2:采用本方法電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊接1.6mm厚的304L不銹鋼，工 藝參數如下攪拌頭轉數800-2000rmp，電磁振動頻率為180-250Hz，電磁振動幅值為 0.2-lmm，焊接速度0.1-1.2m / min，冷態(tài)氮氣保護流量20-50L / min。
應該綜合考慮電磁振動工藝參數、電磁場工藝參數和攪拌摩擦焊接工藝參數的合理匹 配，使電磁振動作用、電磁場作用、保護氣體、焊縫溫度控制等手段有機結合，并根據實 際應用對象和材料對主要工藝參數進行系統(tǒng)優(yōu)化，這樣保證獲得高質量的焊接接頭或優(yōu)質 功能層。
權利要求
1.一種攪拌摩擦焊的攪拌頭，包括攪拌頭(1)本體和位于攪拌頭(1)本體下部的軸肩(3)和攪拌針(2)，其特征在于，還包括電磁振動系統(tǒng)、電磁作用系統(tǒng)、內部強制冷卻系統(tǒng)、氣體保護強制冷卻系統(tǒng)、溫度感應系統(tǒng)和密封絕緣系統(tǒng)，是一種電磁振動原位復合電磁作用、強制溫度控制、氣體保護、溫度檢測的集成式攪拌摩擦焊接的攪拌頭及其裝置。
2. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于所述電磁振動系統(tǒng)包括攪拌頭(1)的本體上部設計成E形結構，安裝在其內的電磁振動線圈(4)，固定于摩 擦焊機上的銜鐵(11)，提供激磁電流的電磁振動電源(7)，以及由導電環(huán)(5)、碳電刷 (17)、絕緣支撐架(6)和絕緣塊(14)構成的激磁電流通道；導電環(huán)(5)材料為紫銅， 通過徑向摩擦焊接，將導電環(huán)(5)與攪拌頭(1)的本體連接成一體，碳電刷(17)材料 為添加8-12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成型為銅基復合碳電刷(17);絕緣 塊(14)使導入電磁振動線圈(4)的正負極電流回路分離，電磁振動線圈(4)通過導線 與導電環(huán)(5)連接；電磁振動電源(7)提供一定強度的交變電流，電磁振動線圈(4) 產生的磁場與銜鐵(11)相互作用形成電磁力，而銜鐵(11)固定在焊機上不動，促使攪 拌頭(1)本體以一定的振幅和較高的頻率振動，通過攪拌頭(1)本體將電磁振動能量導 入工件(15)，在工件(15)與攪拌頭(1)的攪拌針(2)和軸肩(3)之間的接觸面上快 速相對移動因振動攪拌摩擦而使金屬發(fā)生塑性變形，用電磁振動與攪拌摩擦復合作用的方 法實現材料的連接。
3. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于所述電磁作用系統(tǒng)由 電磁振動系統(tǒng)和攪拌頭原位復合構成，位于攪拌頭(1)的本體上部的E形電磁振動機構， 電磁振動線圈(4)產生的一定強度和頻率的交變磁場，通過攪拌頭(1)的本體、攪拌針 (2)和軸肩(3)得到增強并傳遞到工件(15)，在工件(15)的內部形成分布的磁場， 該磁場與攪拌摩擦過程相互作用，電磁作用復合攪拌摩擦過程共同影響并作用焊縫攪拌摩 擦塑性變形金屬內部的位錯運動過程，控制晶粒的回復、再結晶、長大行為，形成優(yōu)質焊 縫，完成對工件(15)的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊接。
4. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于所述氣體保護強制冷 卻系統(tǒng)包括安裝在攪拌頭(1)后側面緊靠軸肩(3)和工件(15)位置的保護氣體冷卻噴 管(16)，從保護氣體冷卻噴管(16)中噴出的冷卻保護氣體介質直接冷卻焊縫后部的高溫金屬，在保證焊接金屬塑性應變速率的條件下控制焊縫金屬的溫度，保證焊縫晶粒細化、 減少缺陷，并避免焊縫金屬氧化起到氣體保護功能，實現焊縫的優(yōu)質連接；所述內部強制 冷卻系統(tǒng)包括設置于攪拌頭(1)本體內部的一個中空結構的空腔(18)，入水管(8),套 管(10)和動密封絕緣組件(9)組合集成，所述入水管(8)用于將液體冷凝介質引入攪 拌頭(1)的腔體(18)內，并到達接近于攪拌針(2)的攪拌頭本體的下部位置，套管(10) 為出水管，通過動密封絕緣組件(9)與旋轉的攪拌頭(1)本體連接，使冷凝介質在攪拌 頭內部空腔體內循環(huán)流動，實現對攪拌頭(1)本體和焊縫攪拌區(qū)塑變金屬的溫度控制。
5. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于還設置有溫度感應系 統(tǒng)，所述溫度感應系統(tǒng)是無源無線的高溫傳感測量系統(tǒng)，由溫度傳感器(12)，發(fā)射器(13) 和接受器構成，溫度傳感器(12)是自耦合電阻式溫度感應器，深埋植于攪拌頭(1)的 軸肩(3)端面處，發(fā)射器(13)位于攪拌頭(1)本體上部與溫度傳感器(12)連接，可 通過固定于摩擦焊機上的接受器接受信號并傳輸給控制計算機，并利用計算機實現攪拌針(2)及其附近溫度的實時無源無線電阻式感應溫度檢測；絕緣還包括有密封絕緣系統(tǒng)， 所述密封絕緣系統(tǒng)主要包括動密封組件(9)，絕緣支撐架(6)和絕緣件(14)以及設置 于工件(15)與焊接平臺夾持之間的絕緣件，動密封絕緣組件(9)設置于攪拌頭(1)本 體內部腔體(18)的上部與套管(10)和入水管(8)之間，動密封絕緣組件(9)為唇型 密封結構，同時具有絕緣、密封和運動三種特性，密封絕緣系統(tǒng)保證焊機的安全，電磁振 蕩系統(tǒng)的正常工作，實現對工件(15)的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊。
6. —種攪拌摩擦焊接方法，包括攪拌摩擦固相焊接方法，其特征在于，使用了上述 結構的攪拌摩擦焊的攪拌頭，是一種電磁振動原位復合電磁作用攪拌摩擦強制溫度控制的 焊接技術，具體方法是在攪拌頭(1)本體上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈(4)， 與固定在摩擦焊機上的銜鐵(U)相互作用，使得攪拌頭(1)作高速攪拌運動和一定強 度頻率電磁振動相結合的電磁振動攪拌摩擦復合運動，電磁振動線圈(4)形成的交變電 磁場又通過攪拌頭(1)本體的強化作用，從軸肩(3)和攪拌針(2)導入到工件(15) 內部，在工件(15)內部形成一定強度的交變電磁場作用，并在攪拌頭(1)后部氣體保 護強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制下限制晶粒長大，并保護焊縫金屬不被氧化，形成細小的焊縫 晶粒，從而使工件(19)實現固相摩擦焊接。
7. 根據權利要求6所述的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法，其特征在于 電磁振動線圈(4)，通過電磁振動電源(7)提供高頻或中頻、 一定強度、時變的勵磁電 流，形成一定強度的高頻或中頻電磁軸向振動或電磁徑向振動或扭振運動，并通過攪拌頭(1)本體的強化作用，通過軸肩(3)和攪拌針(2)導入工件(15)內部，形成一定強 度的高頻或中頻時變磁場分布，對攪拌摩擦的焊縫成型形成電磁作用機制。
8. 根據權利要求6所述的電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊的方法，其特征在于 強制冷卻介質為液態(tài)氮，或干冰，或高壓低溫惰性氣體，或高壓低溫混合保護氣體，同時 具備氣體保護的功能。
9. 一種劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶粒材料的方法，包括劇烈攪拌摩擦塑性 變形，其特征在于，使用了上述結構的攪拌摩擦焊的攪拌頭，是一種電磁振動原位復合電 磁作用劇烈攪拌摩擦強制冷卻溫度控制技術制備大厚度大面積金屬超細晶材料的技術，具體方法是在攪拌頭(1)上部使用一定強度和頻率的電磁振動線圈(4)，與固定在摩擦焊機上的銜鐵(11)相互作用，使得攪拌頭(1)作高速攪拌運動和一定頻率電磁振動相結合的電磁振動攪拌摩擦復合運動，電磁振動線圈(4)形成的高頻電磁場又通過攪拌頭 (1)的強化作用，從軸肩(3)和攪拌針(2)導入到工件(15)內部，在工件(15)表面和內部形成一定強度的交變磁場，在該電磁振動原位復合電磁作用機制下，并在攪拌頭 (1)后部氣體保護強制冷卻系統(tǒng)的溫度控制金屬內部的位錯運動，晶?；貜?、再結晶與長大機制的共同作用下，工件(15)表面一定厚度內粗晶組織發(fā)生劇烈的塑性變形而破碎形成穩(wěn)定的超細晶組織，實現大厚度大面積組織均勻的金屬納米材料的制備。
全文摘要
一種攪拌摩擦焊的攪拌頭，該攪拌頭集電磁振動系統(tǒng)、電磁作用系統(tǒng)、內部強制冷卻系統(tǒng)、氣體保護強制冷卻系統(tǒng)、溫度感應系統(tǒng)和密封絕緣系統(tǒng)于一體，是一種電磁振動原位復合電磁作用、強制溫度控制、氣體保護、溫度檢測的集成式攪拌摩擦焊接的攪拌頭及其裝置，可用于電磁振動復合電磁作用攪拌摩擦焊接，以及劇烈塑性變形制備大厚度大面積超細晶粒材料。
文檔編號B23K20/14GK101537529SQ200910103689
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權日2009年4月24日
發(fā)明者穎 王, 鍵 羅 申請人:重慶大學