基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法技術

本發(fā)明專利技術提供了一種基于表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法，首先對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進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；對待焊基材表面進行表面機械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；最后對攪拌摩擦焊接接頭表面進行表面機械滾壓。本發(fā)明專利技術能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區(qū)，提高焊縫中熱機影響區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)的性能，大幅降低焊接接頭表面粗糙度，達到提高焊接接頭綜合性能的目的，進一步擴展表面納米化技術在攪拌摩擦焊領域的工業(yè)化應用。

Friction stir welding method based on mixed surface nanocrystallization

The present invention provides a friction stir welding method based on surface nanocrystallization, first of all to the welding substrate surface grinding and polishing; then the supersonic particles bombarding the surface nanocrystallization, forming nano layer thickness of not less than 50 m in the welding surface of the substrate, the average size of the nanometer grain surface is not greater than 50nm treated by surface mechanical roll welding; substrate surface; removal to the oil surface substrate with acetone and then welding, friction stir welding; welding joint after the shovel on the upper surface of the flash, and the transition zone is polished; the welding surface mechanical joint surface rolling friction stir. The invention is capable of forming nano layer in friction stir welding seam, improve the properties of the weak links in the weld TMAZ, greatly reduce the welding joint surface roughness, to improve the comprehensive performance of the welding joint, to further expand the surface of nanometer technology in the industrial application of friction stir welding field.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法
本專利技術涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質(zhì)量焊接。
技術介紹
攪拌摩擦焊是英國焊接研究所專利技術的一種固相連接新工藝技術，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、焊后殘余應力小以及接頭性能高等一系列優(yōu)點，可實現(xiàn)傳統(tǒng)認為不可焊的高強鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質(zhì)量焊接，裝置示意圖如圖1。自專利技術起便受到了廣泛的關注，是世界焊接技術發(fā)展史上自專利技術到工業(yè)應用時間跨度最短的連接技術，被譽為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領域的焊接方面具有廣闊的應用前景。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)生的高溫熱循環(huán)作用下，強化相會發(fā)生粗化或回溶，導致焊縫的熱機影響區(qū)成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在硬度、屈服強度、抗拉強度、應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，進一步影響了焊接接頭的綜合性能。表面納米化作為表面強化的一種新手段，能夠在材料表層形成表面粗糙度不等的梯度納米結構層，獲得高強度、高硬度和高耐磨等優(yōu)異性能。
技術實現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本專利技術提供一種基于混合表面納米化技術的攪拌摩擦焊方法，能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成更多的納米層區(qū)，減少因待焊基材焊接面不平整等引起“S”形線的形成率，降低焊接接頭缺陷率，在焊接面制備出無裂紋的納米層，大幅降低焊接接頭表面粗糙度，提高攪拌摩擦焊接頭綜合性能。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進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；對待焊基材表面進行表面機械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；最后對攪拌摩擦焊接接頭表面進行表面機械滾壓。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。所述的攪拌摩擦焊分預焊和正式焊，預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。所述的表面機械滾壓的旋轉(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)軸方向往復運動的移動速率為0.05～5mm/s，移動最大距離為1～300mm，往復移動一個來回為2次處理，滾壓次數(shù)1～100次，工作環(huán)境溫度為-50℃～100℃。本專利技術的有益效果是：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，較少焊接產(chǎn)品的缺陷率，在焊接接頭表面制備出無裂紋的納米層，大幅降低焊接接頭表面粗糙度，達到提高焊接接頭綜合性能的目的，進一步擴展表面納米化技術在攪拌摩擦焊領域的工業(yè)化應用。1、金屬材料經(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，通過表面機械滾壓技術不僅使表面納米層晶粒進一步細化，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，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強度、抗拉強度、延伸率、耐點蝕性能和耐應力腐蝕性能)；2、攪拌摩擦焊接接頭表面經(jīng)過表面機械滾壓技術處理后，表面制備出無裂紋的納米層，生成均勻的殘余壓應力，表面粗糙度大幅降低，進一步提高了焊接接頭的綜合性能；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，丸粒的重復使用率高，滾壓設備制造與維護便捷，攪拌摩擦焊接件的缺陷率得到降低；4、適用范圍廣，本專利技術可以適用于各種金屬材料，廣泛應用于機床、儀表、船舶、飛機、航空航天材料、礦山設備、化工等領域。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是表面機械滾壓技術示意圖；圖4是2A14鋁合金橫截面顯微組織的OM像；圖5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6是經(jīng)表面機械滾壓技術處理后待焊基材橫截面形貌的OM像圖7是待焊基材經(jīng)超音速微粒轟擊技術處理后表層截面的TEM像，其中，(a)是明場像及相應選取電子衍射花樣，(b)是暗場像圖8是待焊基材經(jīng)表面機械滾壓技術處理后表層截面的TEM像，其中，(a)是明場像及相應選取電子衍射花樣，(b)是暗場像圖9是焊縫中的納米層區(qū)OM像圖10是納米層區(qū)中納米晶的TEM像圖11是攪拌摩擦焊接接頭經(jīng)表面機械滾壓技術處理后表層截面的TEM像，其中，(a)是明場像及相應選取電子衍射花樣，(b)是暗場像具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明，本專利技術包括但不僅限于下述實施例。本專利技術屬于金屬材料攪拌摩擦焊領域，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將待焊基材焊接的方法。本專利技術首先采用超音速微粒轟擊技術，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，在此基礎上，對待焊基材表面繼續(xù)采用表面機械滾壓技術進行處理，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，在待焊基材上制備出表面無裂紋的納米結構層。采用攪拌摩擦焊技術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。最后采用表面機械滾壓技術對焊接接頭繼續(xù)進行表面納米化處理，在焊接面形成無裂紋的納米層，同時使焊接面的表面粗糙度顯著降低，進一步提高焊接接頭的綜合性能。本專利技術適用范圍廣，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。本專利技術以金屬材料為對象，首先將待焊基材表面進行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數(shù)控噴丸機對待焊基材進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。在采用本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法，其特征在于包括下述步驟：對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進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；對待焊基材表面進行表面機械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；最后對攪拌摩擦焊接接頭表面進行表面機械滾壓。

【技術特征摘要】
1.一種基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法，其特征在于包括下述步驟：對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進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；對待焊基材表面進行表面機械滾壓；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑；最后對攪拌摩擦焊接接頭表面進行表面機械滾壓。2.根據(jù)權利要求1所述的基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法，其特征在于：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。3.根據(jù)權利要求1所述的基于混合表面納米化處理的攪拌摩擦焊方法，其特征在于：所述的攪拌摩擦焊分預焊和正式焊，預焊...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：楊建海，裴永泉，何禎鑫，張玉祥，葛利玲，陳家照，張有宏，
申請(專利權)人：中國人民解放軍火箭軍工程大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61