專利名稱：一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種攪拌摩擦焊的焊具，尤其涉及一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具。
背景技術(shù)：
超高強(qiáng)度鋁合金是廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和其它工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料之一，具有強(qiáng)度高、密度小，以及優(yōu)良的綜合性能。采用傳統(tǒng)的鑄造制備工藝，因合金元素的固溶量低而導(dǎo)致合金固溶強(qiáng)化效果不明顯，噴射成形技術(shù)的發(fā)展為開發(fā)新一代超高強(qiáng)鋁合金提供了新的途徑，該技術(shù)可大幅提高合金元素的固溶度，細(xì)化晶粒、均勻組織、消除宏觀偏析等，從而使材料的性能顯著提高，特別是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。以美國、日本、英國、德國、法國、意大利為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)國家均在90年代初采用噴射沉積技術(shù)開發(fā)成功了含Zn量8% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上(最高達(dá)14%)，抗拉強(qiáng)度為 780 830MPa，δ為10% 13%的新一代超高強(qiáng)7000系鋁合金產(chǎn)品，被廣泛用于制造各種航空航天器中的結(jié)構(gòu)部件、高速列車掛鉤、賽車和其它體育競技器材中的零部件等，但焊接過程的特殊性使得焊接接頭無法采用相同的強(qiáng)韌化機(jī)理來提高性能，制約了其在大飛機(jī)等重要航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。噴射成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬凝固過程的快速凝固、原位凝固和高致密度多重技術(shù)指標(biāo)，既突破了鑄造工藝緩慢凝固、宏觀偏析和疏松的技術(shù)瓶頸，又突破了粉末冶金工藝的難以致密化、構(gòu)件規(guī)格小的技術(shù)瓶頸，使金屬材料實(shí)現(xiàn)高性能和大規(guī)格的雙重提高。采用噴射成形技術(shù)制備的Al-Zn-Mg-Cu高性能招合金在制備大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件時(shí),必然會(huì)牽涉到連接技術(shù)。而連接接頭的性能將會(huì)影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)件的性能。大型客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的生產(chǎn)能力能反映一個(gè)國家的綜合工業(yè)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，已經(jīng)成為中國航空工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。需要采用超高強(qiáng)鋁合金的零部件形狀千差萬別，由于設(shè)備的能力以及鑄錠的尺寸問題，不可能由鑄、鍛工藝解決所有的問題。焊接加工已經(jīng)成為噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵工藝。由于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的強(qiáng)韌性原理和特點(diǎn)，使其焊接技術(shù)必然面臨兩大困難即母材金屬熔化后再凝固結(jié)晶時(shí)過飽和Zn的析出以及母材金屬和焊縫金屬的性能匹配問題。熔化焊具有設(shè)備簡單，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接。 但基于上述噴射成形鋁合金強(qiáng)韌性的原理，熔化焊的焊縫強(qiáng)度要達(dá)到母材的強(qiáng)度，其難度是非常大的。攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型低溫固相連接技術(shù)，適用于低熔點(diǎn)合金焊接。1991 年由英國焊接研究所(The Welding Institute, TH)發(fā)明，該技術(shù)的原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入接縫中，利用攪拌頭的強(qiáng)烈摩擦和攪拌作用，使焊接接縫區(qū)處于熱塑性狀態(tài)并被破碎、混合，在一定的壓力作用下被連接在一起，攪拌頭朝焊接方向高速旋轉(zhuǎn)并擠壓， 而在攪拌頭的后方則形成了焊縫，從而完成了固態(tài)連接。目前各國都在競相研發(fā)，在航天航空、船舶、高速列車、裝甲戰(zhàn)車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊是在比被焊合金材料熔點(diǎn)溫度低的條件下完成固態(tài)連接，該技術(shù)具有金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小和力學(xué)性能損失低等突出的優(yōu)點(diǎn)，因此攪拌摩擦焊非常適合焊接噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金，從目前的研究結(jié)果來看，攪拌摩擦焊焊接噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金已經(jīng)具備大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的條件。目前的攪拌摩擦焊攪拌頭材料多數(shù)是工具鋼，其強(qiáng)度和硬度可以滿足普通鋁合金的攪拌摩擦焊，但噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金由于具有780 830MPa的抗拉強(qiáng)度，所以原有的工具鋼材料已經(jīng)不能滿足攪拌摩擦焊的要求。若采用硬度更高的硬質(zhì)合金，由于其加工和制造的困難，并且價(jià)格較高，所以不適合加工整體的攪拌頭。常規(guī)的攪拌頭的攪拌針長度是固定的，一定長度的攪拌針只能焊接對應(yīng)厚度的焊縫，若要實(shí)現(xiàn)不同厚度焊縫的焊接就需要制造不同規(guī)格的攪拌頭，特別是采用昂貴的高熔點(diǎn)材料制造的攪拌頭，整體制造時(shí)，攪拌頭造價(jià)昂貴，不適合大量制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的所要解決的技術(shù)問題是由于現(xiàn)有的用于攪拌摩擦焊的攪拌頭其材料強(qiáng)度和硬度不能滿足780 830MPa噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的要求，所以需要采用更高強(qiáng)度和硬度的攪拌頭材料。由于整體結(jié)構(gòu)攪拌頭對于不同厚度的焊縫需要制造多種規(guī)格的攪拌頭，而整體結(jié)構(gòu)攪拌頭也不利于對硬質(zhì)合金焊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸修改，所以提出一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊接的組合式硬質(zhì)合金焊具。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，所述焊具由夾持體和安裝在夾持體一端的攪拌頭以及緊固螺釘組成，所述夾持體為一大小直徑的圓柱體，其中大直徑段圓柱體的端面開設(shè)有一中心盲孔，大直徑段圓柱體外圓面上開設(shè)有安裝緊固螺釘?shù)囊淮怪敝行拿た字行木€的，螺紋通孔，所述攪拌頭為一“T”字形圓柱體，所述“T”字形圓柱體的上平面上設(shè)有圓錐形攪拌針，所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體安裝在所述夾持體大直徑段圓柱體端面開設(shè)的中心盲孔中，所述圓錐形攪拌針表面還設(shè)置有螺紋線條。所述夾持體小直徑段圓柱體外圓面上加工有一平行軸線的平面。所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體外圓面上加工有一平行軸線的平面。所述攪拌頭的材質(zhì)為GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金。所述的夾持體的材質(zhì)為工具鋼。本發(fā)明的用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果I、由于本發(fā)明的攪拌頭的材質(zhì)為GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金，GT35在退火狀態(tài)下有較好的加工性能，其硬度HRC為39 46，在淬火后其硬度可以達(dá)到HRC68 72，比工具鋼的硬度HRC58 62要高許多，具有良好的耐磨性。2、由于本發(fā)明的焊具采用組合式結(jié)構(gòu)，既能節(jié)約制作攪拌頭昂貴的高熔點(diǎn)高熱強(qiáng)性材料，降低加工制作成本，又便于進(jìn)行攪拌頭的尺寸修改，提高了焊具的實(shí)用性，達(dá)到適合于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊接。


圖I為本發(fā)明的組合結(jié)構(gòu)的示意圖。圖中I、夾持體；2、攪拌頭；3、緊固螺釘。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖I所示，一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具為組合式結(jié)構(gòu)，所述組合式結(jié)構(gòu)由夾持體I和安裝在夾持體I一端的攪拌頭2以及緊固螺釘3組成， 所述夾持體I為一大小直徑的圓柱體，其中大直徑段圓柱體的端面開設(shè)有一中心盲孔，大直徑段圓柱體外圓面上開設(shè)有安裝緊固螺釘3的一垂直中心盲孔中心線的螺紋通孔，小直徑段圓柱體外圓面上加工有一平行軸線的平面；所述攪拌頭2為一“ T ”字形圓柱體，所述 “T”字形圓柱體的上平面上設(shè)置有圓錐形攪拌針，所述圓錐形攪拌針表面還設(shè)置有螺紋線條；所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體安裝在所述夾持體I大直徑段圓柱體端面開設(shè)的中心盲孔中，所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體對應(yīng)螺紋通孔的外圓面上加工有一平行軸線的平面。所述攪拌頭2的材質(zhì)為GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金。所述的夾持體I的材質(zhì)為工具鋼。
權(quán)利要求
1.一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述焊具由夾持體和安裝在夾持體一端的攪拌頭以及緊固螺釘組成的組合結(jié)構(gòu)，所述夾持體為一大小直徑的圓柱體，其中大直徑段圓柱體的端面開設(shè)有一中心盲孔，大直徑段圓柱體外圓面上開設(shè)有安裝緊固螺釘?shù)囊淮怪敝行拿た字行木€的螺紋通孔；所述攪拌頭為一 “T”字形圓柱體，所述“T”字形圓柱體的上平面上設(shè)有圓錐形攪拌針，所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體安裝在所述夾持體大直徑段圓柱體端面開設(shè)的中心盲孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述圓錐形攪拌針表面還設(shè)置有螺紋線條。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述夾持體小直徑段圓柱體外圓面上加工有一平行軸線的平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述“T”字形圓柱體的下段圓柱體外圓面上加工有一平行軸線的平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于 所述的攪拌頭的材質(zhì)為GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于 所述的夾持體的材質(zhì)為工具鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于噴射成形Al-Zn-Mg-Cu鋁合金攪拌摩擦焊的焊具，所述焊具由夾持體和安裝在夾持體一端的攪拌頭以及緊固螺釘組成的組合結(jié)構(gòu)，所述夾持體為一大小直徑的圓柱體，其中大直徑段圓柱體的端面開設(shè)有一中心盲孔，大直徑段圓柱體外圓面上開設(shè)有安裝緊固螺釘?shù)囊淮怪敝行拿た字行木€的螺紋通孔；所述攪拌頭為一“”字形圓柱體，所述“”字形圓柱體的上平面上設(shè)有圓錐形攪拌針，所述“”字形圓柱體的下段圓柱體安裝在所述夾持體大直徑段圓柱體端面開設(shè)的中心盲孔中。本發(fā)明既節(jié)約制作攪拌頭昂貴的高熔點(diǎn)高熱強(qiáng)性材料，降低加工制作成本，又便于進(jìn)行攪拌頭的尺寸修改，提高了焊具的實(shí)用性。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102581470SQ201210050968
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者嚴(yán)鏗, 葉友利, 喻利花, 張捷, 張豪, 許俊華, 趙勇, 鄒家生 申請人:江蘇科技大學(xué)