本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質(zhì)量焊接。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種固相連接新工藝技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)熔化焊產(chǎn)生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節(jié)能環(huán)保、連接溫度低、焊后殘余應(yīng)力小以及接頭性能高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)認(rèn)為不可焊的高強(qiáng)鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質(zhì)量焊接，裝置示意圖如圖1。攪拌摩擦焊自發(fā)明起便受到了廣泛的關(guān)注，是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短的連接技術(shù)，被譽(yù)為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理是一個帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入對接板材的接縫處，直至軸肩與工件緊密接觸，在摩擦熱和攪拌針擠壓的作用下，材料發(fā)生軟化，攪拌針的攪動作用使接縫兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性流變和混合，通過焊接工具的前移形成密實(shí)無缺陷的焊縫。

金屬材料經(jīng)過攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)嵫h(huán)作用下，強(qiáng)化相發(fā)生了粗化或回溶，導(dǎo)致焊縫的熱機(jī)影響區(qū)是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進(jìn)一步影響了焊接接頭的綜合性能。

表面納米化作為表面強(qiáng)化的一種新手段，能夠在材料表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)層，獲得高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨等優(yōu)異性能。豪克能是一種由電能轉(zhuǎn)換的、高頻、高能量密度、振幅很小的超聲波能和沖擊能的復(fù)合能，豪克能技術(shù)是利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點(diǎn)，將豪克能作用在金屬零件表面進(jìn)行無研磨劑的研磨、強(qiáng)化和微小形變處理，一次加工即可使零件表面達(dá)到鏡面并實(shí)現(xiàn)改性的能量加工技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)合豪克能和混合表面納米化技術(shù)的攪拌摩擦焊方法，能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成較多的納米層區(qū)，減少因待焊基材焊接面不平整等引起“S”形線的形成率，改善焊接接頭表面粗糙度，提高攪拌摩擦焊接頭綜合性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

對待焊基材表面進(jìn)行研磨、拋光；然后進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，在待焊基材表面形成一層厚度不低于50μm的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm；對待焊基材表面進(jìn)行表面機(jī)械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進(jìn)行攪拌摩擦焊；焊接結(jié)束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；采用豪克能技術(shù)對焊接接頭表面進(jìn)行處理，最終使材料表面粗糙度減小為0.01～0.2μm，表面顯微硬度大于300HV。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110、SiO₂、BN或WC，彈丸直徑為0.05～0.5mm，噴射角為60°～90°，工作氣壓為0.1～0.53MPa，氣流速率為340～1200m/s，噴射距離為10～300mm，噴射時間為0.1～300min。

所述的表面機(jī)械滾壓的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為20～200r/min，軸上裝有WC-Co硬質(zhì)合金鋼沖擊滾輪，滾輪直徑為20～60mm，厚度為5～30mm，攪拌摩擦焊接接頭表面沿滾輪轉(zhuǎn)軸方向往復(fù)運(yùn)動的移動速率為0.05～5mm/s，移動最大距離為1～300mm，往復(fù)移動一個來回為2次處理，滾壓次數(shù)1～100次，工作環(huán)境溫度為-50℃～100℃。

所述的攪拌摩擦焊分預(yù)焊和正式焊，預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50-1000r/min，焊接速度為50-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm；正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100-2000r/min，焊接速度為100-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。

所述豪克能技術(shù)的加工工具頭的振動頻率是10～40KHz，振幅是5～30μm，沿橫軸移動速度是5～30mm/min，沿縱軸移動速度是10～200mm/min。

本發(fā)明的有益效果是：能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區(qū)，待焊基材待焊面表面粗糙度得到大幅減小，焊接產(chǎn)品的缺陷率得到降低，提高了焊縫中熱機(jī)影響區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)的性能，大幅降低了焊接接頭的表面粗糙度，達(dá)到提高焊接接頭綜合性能的目的，進(jìn)一步擴(kuò)展了豪克能和混合表面納米化技術(shù)在攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用范圍。

1、待焊金屬基材經(jīng)過超音速微粒轟擊后生成的表面納米層厚，有利于提高焊縫中納米層區(qū)的體積占比，通過表面機(jī)械滾壓技術(shù)不僅使表面納米層晶粒進(jìn)一步細(xì)化，而且大幅降低待焊基材待焊表面粗糙度，減少“S”形線等缺陷的產(chǎn)生，在熱機(jī)影響區(qū)中制備出更細(xì)、更多納米晶，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、耐點(diǎn)蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能)；

2、焊接接頭經(jīng)過豪克能技術(shù)處理后，表面粗糙度非常小，表面達(dá)到鏡面效果，殘余壓應(yīng)力分布均勻，進(jìn)一步提高了攪拌摩擦焊接頭綜合性能；

3、工藝簡單易行、成本低廉，無目前所使用的陽極化工藝的環(huán)境污染問題，耗能少，丸粒的重復(fù)使用率高，滾壓設(shè)備制造與維護(hù)便捷，豪克能刀具更換簡單；

4、適用范圍廣，本發(fā)明可以適用于各種金屬材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、儀表、船舶、飛機(jī)、航空航天材料、礦山設(shè)備、化工等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是攪拌摩擦焊工藝原理示意圖；

圖2是超音速微粒轟擊法示意圖；

圖3是表面機(jī)械滾壓技術(shù)示意圖；

圖4是豪克能技術(shù)示意圖；

圖5是2A14鋁合金橫截面顯微組織的OM像；

圖6是經(jīng)超音速微粒轟擊處理后待焊基材橫截面形貌的OM像；

圖7是經(jīng)表面機(jī)械滾壓技術(shù)處理后待焊基材橫截面形貌的OM像；

圖8是待焊基材經(jīng)超音速微粒轟擊技術(shù)處理后表層截面的TEM像，(a)是明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場像；

圖9是待焊基材經(jīng)表面機(jī)械滾壓技術(shù)處理后表層截面的TEM像，(a)是明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場像；

圖10是焊縫中的納米層區(qū)OM像；

圖11是納米層區(qū)中納米晶的TEM像；

圖12是攪拌摩擦焊接接頭表面經(jīng)豪克能技術(shù)處理后表面粗糙度顯微像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明屬于金屬材料攪拌摩擦焊領(lǐng)域，具體說是待焊金屬基材表面經(jīng)過混合表面納米化處理后，采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接的方法。本發(fā)明首先采用超音速微粒轟擊技術(shù)，利用高壓氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生的高壓氣體攜帶硬質(zhì)球形顆粒以340～1200m/s的速度連續(xù)轟擊待焊金屬基材表面，使其表面形成一定厚度的納米層，在此基礎(chǔ)上，對待焊基材表面繼續(xù)采用表面機(jī)械滾壓技術(shù)進(jìn)行處理，利用繞公轉(zhuǎn)軸線高速旋轉(zhuǎn)的軋輥軋制金屬材料的表面層，在金屬材料上制備出表面無裂紋的納米結(jié)構(gòu)層。采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接起來，在焊縫中形成納米層區(qū)，提高焊接接頭的綜合性能。而后采用豪克能技術(shù)進(jìn)行處理，將超聲波能和沖擊能的復(fù)合能作用在焊接接頭表面，使焊接接頭表面達(dá)到鏡面水平。本發(fā)明適用范圍廣，裝置簡單易操作、成本低、生產(chǎn)效率高、無污染，焊接接頭綜合性能提高明顯。

本發(fā)明以金屬材料為對象，首先將待焊基材表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數(shù)控噴丸機(jī)對待焊基材進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110、SiO₂、BN、WC，彈丸直徑0.05-0.5mm，噴射角60°-90°，工作氣壓0.1-0.53MPa，氣流速率340-1200m/s，噴射距離10-300mm，噴射時間0.1-300min。處理完后，待焊基材表面形成一層不低于50μm厚的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm。

在采用超音速微粒轟擊技術(shù)對待焊基材表面納米化處理的基礎(chǔ)上，采用表面機(jī)械滾壓技術(shù)的設(shè)備對待焊基材表面繼續(xù)進(jìn)行處理，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為20-200r/min，軸上裝有WC-Co硬質(zhì)合金鋼沖擊滾輪，滾輪直徑20-60mm，厚度為5-30mm，可繞軸心自由移動，待焊基材可以左右移動，移動速率為0.05-5mm/s，移動最大距離1-300mm，待焊基材左右移動一個來回為2次處理，滾壓次數(shù)1-100次，工作環(huán)境溫度-50℃-100℃。

利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對混合表面納米化后的待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50-1000r/min，焊接速度為50-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100-2000r/min，焊接速度為100-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。

采用豪克能設(shè)備HKUSM30S對焊接接頭表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動頻率是10-40KHz，振幅是5-30μm，沿橫軸移動速度是5-30mm/min，沿縱軸移動速度是10-200mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.01-0.2μm，表面顯微硬度大于300HV。

本發(fā)明的實(shí)施例以2A14鋁合金為處理對象，2A14為Al-Mg-Si-Cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的鋁合金板，將待焊基材表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數(shù)控噴丸機(jī)對待焊基材進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110，彈丸直徑0.3mm，噴射角90°，工作氣壓0.53MPa，氣流速率1200m/s，噴射距離130mm，噴射時間10min。處理完后，待焊基材表面形成一層約50μm厚的納米層(如圖6)，表面晶粒由基體的50μm(如圖5)減小到納米層晶粒的30nm，納米晶的TEM明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場像如圖8。

采用超音速微粒轟擊技術(shù)對2A14鋁合金表面納米化處理完后，采用表面機(jī)械滾壓設(shè)備對待焊基材表面繼續(xù)進(jìn)行處理，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為50r/min，滾輪直徑35mm，厚度為10mm，可繞軸心自由移動，板材樣品可以左右移動，移動速率為0.3mm/s，移動距離80mm，樣品左右移動一個來回為2次處理，樣品在50℃空氣環(huán)境中進(jìn)行滾壓處理15次。最終使待焊基材表面粗糙度減小為0.534μm(如圖7)，表面納米晶粒的TEM明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場像如圖9。

采用混合表面納米化技術(shù)對2A14鋁合金待焊基材表面處理后，利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針長度為2mm，端部直徑5mm，根部直徑6mm，旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，焊接速度為400mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.2mm)。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為18mm，攪拌針長度為3mm，端部直徑6mm，根部直徑7mm，旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，焊接速度為200mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.3mm)。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。最終在焊縫中制備出納米層區(qū)(如圖10)，納米層區(qū)內(nèi)的納米晶的TEM明場像如圖11。

采用豪克能設(shè)備HKUSM30S對攪拌摩擦焊接接頭表面繼續(xù)進(jìn)行處理，加工工具頭的振動頻率是30KHz，振幅是10μm，沿橫軸移動速度是15mm/min，沿縱軸移動速度是85mm/min。最終使材料表面粗糙度減小為0.487μm，其顯微像如圖12。