一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁铝异种合金的方法
阅读：190发布：2020-05-15
专利汇可以提供一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁铝异种合金的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁 铝 异种 合金 的方法，包括圆柱形夹持部分、轴肩和搅拌针，所述的轴肩为带有多个凸起构件的 台面 ，所述的搅拌针为六棱锥台形。所述搅拌针的一端六棱锥台外接圆面直径为6～6.2mm，所述搅拌针的另一端六棱锥台外接圆面直径为3.2～3.5mm，所述搅拌针的长度为3.5～3.65mm，所述搅拌针的锥台倾 角 为44～45°。所述的轴肩以圆柱形夹持部分的横截面为基准面，在该基准面上沿搅拌头的自转方向设置 流线 型的凸起构件，所述的凸起构件为多个，且相邻凸起构件间歇设置。本发明工艺简单，成本低廉， 焊接 效率高，焊接过程中不易产生 缺陷 和金属间化合物有害相， 焊缝 综合性能显著提高。，下面是一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁铝异种合金的方法专利的具体信息内容。
1.一种搅拌头，包括圆柱形夹持部分(11)、轴肩(12)和搅拌针(13)，其特征在于，所述的轴肩(12)为带有多个凸起构件的台面，所述的搅拌针(13)为六棱锥台形。
2.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于，所述搅拌针(13)的一端六棱锥台外接圆面直径为6～6.2mm，所述搅拌针(13)的另一端六棱锥台外接圆面直径为3.2～3.5mm，所述搅拌针(13)的长度为3.5～3.65mm，所述搅拌针(13)的锥台倾角为44～45°。
3.根据权利要求1所述的搅拌头，其特征在于，所述的轴肩(12)以圆柱形夹持部分的横截面为基准面，在该基准面上沿搅拌头的自转方向设置流线型的凸起构件(121)，所述的凸起构件(121)为多个，且相邻凸起构件(121)间歇设置。
4.根据权利要求1、2或3所述的搅拌头，其特征在于，所述的搅拌头(1)采用H13模具钢经冷加工制作成搅拌头毛坯件，冷加工制作方法依次包括车削、铣削和磨削，搅拌头毛坯件再经热处理得到成品。
5.根据权利要求4所述的搅拌头，其特征在于，所述热处理工艺包括：
(1)将搅拌头毛坯件预热，预热温度为640～670℃，保温2.5～3h，然后升温至800～820℃，再保温2.5～3h；
(2)将预热后的搅拌头毛坯件进行淬火处理，淬火处理包括加热温度升高至1000～
1030℃，保温3～3.5h出炉油淬，待搅拌头温度降至60～100℃时从油中取出空冷；
(3)将淬火处理后的搅拌头毛坯件进行回火处理，回火处理包括加热至350～370℃，保温1.5h；再缓慢升温至550～570℃进行回火，然后再保温1.5h，随后出炉空冷即得成品。
6.一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头(1)、动力构件和加工操作台，其特征在于，所述的搅拌头(1)为权利要求1-5任一权利要求所述的搅拌头(1)。
7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述的加工操作台包括底座(7)，在底座(7)上设置冷却槽(6)，冷却槽(6)内设置加工台(5)，加工台(5)上放置待加工金属板。
8.一种加工镁铝异种合金的方法，其特征在于，包括采用权利要求1-5任一权利要求所述的搅拌头或权利要求6-7任一权利要求所述的搅拌摩擦焊装置进行镁铝异种合金的加工。
9.根据权利要求8所述的加工镁铝异种合金的方法，其特征在于，所述搅拌针的旋转速度为750～1500r/min，焊接速度23.5～47.5mm/min，压下量0.1～0.15mm，搅拌针偏置0.2～
0.5mm。
10.根据权利要求8所述的加工镁铝异种合金的方法，其特征在于，待加工镁板厚度
4.05～4.08mm，待加工铝板厚度3.95～3.97mm，镁板放置在前进侧，铝板放置在后退侧，镁板和铝板具有0.07～0.13mm的厚度差；使待加工镁板和待加工铝板焊接处的温度不超过
437℃。
一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁铝异种合金的方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着工业技术的高速发展，对结构轻量化的要求越来越高，尽管通过结构的优化设计可以一定程度地实现轻量化，但给设计带来了很大的难度。因此，合理选用轻型材料是一种相对有效和容易实现的方法。作为轻金属结构材料，镁合金和铝合金都具有密度低、比强度高、比刚性高等优点，被广泛地应用于制造工业中，逐渐成为最具应用前景的轻型有色金属材料。
[0003] 在实际工程应用过程中，使某种单一材料满足工程所需的全部性能要求是不切实际的。随着镁、铝合金应用范围的逐渐扩大，两者的交叉领域不断增多，镁/铝异种金属的复合结构能够充分发挥两种金属的优良性能，扬长避短，具有重要的实用价值和现实意义。然而，由于两种金属导热率、热膨胀系数和熔点的差异，采用熔化焊方法焊接，易产生气孔、热裂纹等缺陷，焊缝力学性能显著下降，很难获得理想的焊接接头。
[0004] 搅拌摩擦焊是1991年英国焊接研究所发明的新型固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接，它具有焊接接头强度高、焊接工件变形小等优点，焊接同种材料能有效避免气孔、裂纹等缺陷的产生，焊接接头性能显著提高。但对于镁/铝异种金属的焊接存在的不足是:焊接接头易出现未熔合，焊缝接合处易生成硬而脆的金属间化合物相，焊缝底部易出现隧道洞等，焊接接头力学性能显著下降。
发明内容
[0005] 为了克服上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的第一个目的是提供一种搅拌头，该搅拌头在焊接过程中不易产生缺陷和金属间化合物有害相，焊缝综合性能显著提高。
[0006] 本发明的第二个目的在于提供一种搅拌摩擦焊装置，该装置在焊接过程中不易产生缺陷和金属间化合物有害相，焊缝综合性能显著提高。
[0007] 本发明的第三个目的是提供一种加工镁铝异种合金的方法，该方法工艺简单，成本低廉，焊接效率高，焊接过程中不易产生缺陷和金属间化合物有害相，焊缝综合性能显著提高。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0009] 一种搅拌头，包括圆柱形夹持部分、轴肩和搅拌针，所述的轴肩为带有多个凸起构件的台面，所述的搅拌针为六棱锥台形。
[0010] 可选的，所述搅拌针的一端六棱锥台外接圆面直径为6～6.2mm，所述搅拌针的另一端六棱锥台外接圆面直径为3.2～3.5mm，所述搅拌针的长度为3.5～3.65mm，所述搅拌针的锥台倾角为44～45°。
[0011] 可选的，所述的轴肩以圆柱形夹持部分的横截面为基准面，在该基准面上沿搅拌头的自转方向设置流线型的凸起构件，所述的凸起构件为多个，且相邻凸起机构间歇设置。
[0013] 可选的，所述热处理工艺包括：
[0014] (1)将搅拌头毛坯件预热，预热温度为640～670℃，保温2.5～3h，然后升温至800～820℃，再保温2.5～3h；
[0015] (2)将预热后的搅拌头毛坯件进行淬火处理，淬火处理包括加热温度升高至1000～1030℃，保温3～3.5h出炉油淬，待搅拌头温度降至60～100℃时从油中取出空冷；
[0016] (3)将淬火处理后的搅拌头毛坯件进行回火处理，回火处理包括加热至350～370℃，保温1.5h；再缓慢升温至550～570℃进行回火，然后再保温1.5h，随后出炉空冷即得成品。
[0017] 一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头、动力构件和加工操作台，所述的搅拌头为本发明所述的搅拌头。
[0018] 可选的，所述的加工操作台包括底座，在底座上设置冷却槽，冷却槽内设置加工台，加工台上放置待加工金属板。
[0019] 一种加工镁铝异种合金的方法，包括采用本发明所述的搅拌头或搅拌摩擦焊装置进行镁铝异种合金的加工。
[0020] 可选的，所述搅拌针的旋转速度为750～1500r/min，焊接速度23.5～47.5mm/min，压下量0.1～0.15mm，搅拌针偏置0.2～0.5mm。
[0021] 可选的，待加工镁板厚度4.05～4.08mm，待加工铝板厚度3.95～3.97mm，镁板放置在前进侧，铝板放置在后退侧，镁板和铝板具有0.07～0.13mm的厚度差；使待加工镁板和待加工铝板焊接处的温度不超过437℃。
[0022] 本发明的优点为：
[0023] 本发明的一种搅拌头、搅拌摩擦焊装置及加工镁铝异种合金的方法，适用具有不同的密度、硬度、熔点、导热性、线膨胀系数及比热容等物理性能差异的轻金属材料，实现了异种轻金属搅拌摩擦焊接，工艺简单，成本低廉，焊接效率高，焊接过程中不易产生缺陷和金属间化合物有害相，焊缝综合性能显著提高。
[0026] 图1为本发明的搅拌摩擦焊装置结构示意图；
[0027] 图2是图1中搅拌头的仰视图；
[0028] 图中各标号表示为：
[0029] 1-搅拌头、11-圆柱形夹持部分、12-轴肩、121-凸起构件、13-搅拌针、2-后盾夹具、3-第一金属板、4-第二金属板、5-加工台、6-冷却槽、7-底座；
[0030] 以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
[0031] 以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
[0032] 在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
[0033] 在本发明的实施例中，搅拌头1包括圆柱形夹持部分11、轴肩12和搅拌针13，轴肩12为带有多个凸起构件121的台面，搅拌针13为六棱锥台形。搅拌针13的六个棱相当于搅拌针13的切削刃，使搅拌头1旋转时变得锋利，金属流动更充分，晶粒易于破碎，易于发生再结晶。同时，六棱搅拌针具有对称性，搅拌头1旋转时可使焊缝金属分布均匀，对焊缝外观成形更有利。
[0034] 如图1和2中所示的结构，特别是在进行铝镁异种合金的加工中，可采用搅拌针1的一端六棱锥台外接圆面直径为6～6.2mm，搅拌针1的另一端六棱锥台外接圆面直径为3.2～3.5mm，搅拌针1的长度为3.5～3.65mm，搅拌针1的锥台倾角为44～45°；上述尺寸结构对铝镁合金焊接性能的提高更有利。
[0035] 还有，如图2所示，轴肩12以圆柱形夹持部分11的横截面为基准面，在该基准面上沿搅拌头1的自转方向设置流线型的凸起构件121，凸起构件121为多个，且相邻凸起构件121间歇设置。比如，凸起构件121为风扇叶片状的凸起构件121，风扇叶片形的凸起构件与基准面分别处于高低不同的两个面上，当轴肩12随搅拌头1自转时，整个叶片外缘形成了焊缝塑性金属的流动路线，利于金属的流动。
[0036] 最好的，搅拌头1采用H13模具钢经冷加工制作成搅拌头毛坯件，冷加工制作方法依次包括车削、铣削和磨削，搅拌头毛坯件再经热处理得到成品。H13模具钢具有两个突出特点：一是良好的高温性能和较高的热疲劳抗力；二是组织中含有较多的Cr和Mo元素，热处理时能生成稳定的弥散分布相，使其使用寿命大大延长。
[0037] 最好的，热处理工艺包括：
[0038] (1)将搅拌头毛坯件预热，预热温度为640～670℃，保温2.5～3h，然后升温至800～820℃，再保温2.5～3h；
[0039] (2)将预热后的搅拌头毛坯件进行淬火处理，淬火处理包括加热温度升高至1000～1030℃，保温3～3.5h出炉油淬，待搅拌头温度降至60～100℃时从油中取出空冷；
[0040] (3)将淬火处理后的搅拌头毛坯件进行回火处理，回火处理包括加热至350～370℃，保温1.5h；再缓慢升温至550～570℃进行回火，然后再保温1.5h，随后出炉空冷即得成品。
[0041] 在本发明的实施例中，一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头1、动力构件和加工操作台，搅拌头1为本发明的搅拌头。比如，加工操作台包括底座7，在底座7上设置冷却槽6，冷却槽6内设置加工台5，加工台5上放置待加工金属板。
[0042] 在本发明的实施例中，一种加工镁铝异种合金的方法，包括采用本发明的搅拌头或搅拌摩擦焊装置进行镁铝异种合金的加工。可选的，搅拌针的旋转速度为750～1500r/min，焊接速度23.5～47.5mm/min，压下量0.1～0.15mm，搅拌针偏置0.2～0.5mm。
[0043] 比如，待加工镁板厚度4.05～4.08mm，待加工铝板厚度3.95～3.97mm，镁板放置在前进侧，铝板放置在后退侧，镁板和铝板具有0.07～0.13mm的厚度差。可选的加工过程如下：
[0044] (一)搅拌头1：圆柱形夹持部分11的直径φ(18±0.05)mm，方便标准夹头刀柄夹持，搅拌头1装夹精度高；长45～50mm，以保证刀柄牢固夹持搅拌头1，并使搅拌头1连接刚性好，抗震；轴肩12直径(14±0.05)mm，轴肩12直径和待加工板厚比值(D/T)对搅拌头性能产生较大的影响，D/T值为3.4～3.6时能获得承载能力较优的搅拌头；搅拌针13根部六棱锥台外接圆面直径6～6.2mm，针顶部锥台外接圆面直径3.2～3.5mm，搅拌针13长度3.5～3.65mm，锥台倾角44～45°。
[0045] (二)焊前准备：将不同厚度的第一金属板3镁板和第二金属板4铝板采用机械加工方法加工成具有一定尺寸要求的焊接试板，将试板按照前进侧和后退侧的位置放置在设置有冷却槽6的加工台5上，采用后盾夹具2夹紧试板。
[0046] 不同厚度的镁/铝板，按照前进侧(右侧)和后退侧(左侧)的位置放置。镁板厚度4.05mm～4.08mm，铝板厚度3.95mm～3.97mm，镁板放置在前进侧，铝板放置在后退侧。镁板和铝板具有0.07mm～0.13mm的厚度差。
[0047] 镁/铝板机械加工方法，先利用剪板机剪切镁/铝板，尺寸规格为：150mm×61mm，再采用铣削的加工方法加工镁/铝板宽度一侧长度方向，加工最终尺寸为150mm×60±0.2mm，将加工好的镁/铝板两侧加工面对接。
[0048] 冷却槽6用于盛水和液氮，焊前冷却槽6内添加足量水，待搅拌头1原位旋转后移动时，向冷却槽6内加入液氮，并保持冷却槽6温度在50℃～70℃之间。使待加工镁板和待加工铝板焊接处的温度不超过437℃，即为437～450℃以下附近，避免在437～450℃此温度下发生镁/铝共晶反应生成Al12Mg17和Al3Mg2硬脆金属间化合物或低于此区间温度产生隧道等缺陷。
[0049] 后盾夹具2为市场上所购置夹持试板用装置，具有夹持方便，夹紧力大的优点。
[0050] (三)焊接工艺参数选择：采用的搅拌针13旋转速度750～1500r/min，焊接速度23.5～47.5mm/min，压下量0.1～0.15mm，搅拌针13偏置0.2～0.5mm。
[0051] 搅拌头1旋转速度和焊接速度影响焊接温度，两者的比值是单位长度焊缝上产生的热量，搅拌头1转速和焊速比为12～25。压下量0.1～0.15mm，搅拌针4压下量过小会导致镁/铝界面摩擦强度弱，较难完成良好的固相结合；压下量过大，会发生塑性流动的镁合金被挤出轴肩，材料循环流动性变差，影响焊缝成形。搅拌针4的偏置，由于镁合金强度和硬度低于铝合金，搅拌针13偏置较软的镁合金侧，焊接时，镁合金塑变流形成多。
[0052] (四)焊接：按步骤(三)中所述设置好焊接参数，启动焊机，将搅拌头1端部搅拌针13快速扎入镁/铝板，扎入镁/铝板的同时调整压下量，压下量调整好后，保持轴肩12原位停留旋转3～5s，然后扳动搅拌头1移动手柄，使搅拌头1以设定的焊接速度前进焊接，待焊接结束时，拔出搅拌针13。
[0053] 搅拌针13快速扎入镁/铝板，其扎入速度为1mm/s，由于受热的镁合金较黏，搅拌针13扎入较慢时，会使镁合金温度快速升高，造成过热，导致镁合金黏在搅拌针13和轴肩12上，并随搅拌针13一起移动，使得焊缝金属大量被消耗，从而使搅拌针13搅拌作用力大幅下降，致使大块的镁合金拔起，迫使焊接停止。
[0054] 轴肩12原位停留旋转3～5s，以保证搅拌轴肩12和铝板的摩擦产热足以使板正面和反面均达到塑性状态，目的是：搅拌头1周围的塑性变形流畅、温度场达到一个稳定的程度，使镁/铝在搅拌头1行走前原位焊合。
[0055] 焊接结束后，立即松开后盾夹具2，使焊板在自由状态下冷却，以防止焊后焊缝区较大的拉应力产生，造成焊接性能下降。
[0056] 下面结合附图和具体实施例对本发明做详细叙述。
[0057] 实施例一:
[0058] 本实施例适用的轻金属6061铝合金和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦焊接。
[0059] 按照本发明的方法，将厚度4.08mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，3.95mm的6061铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度900r/min，焊接速度47.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.1mm，搅拌针偏置镁侧0.2mm，施焊前冷却水槽温度为室温，搅拌针扎入焊板后原位停留5s后进行焊接，水槽温度保持在70℃。
[0061] 对比例一：
[0062] 将厚度4.08mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，3.95mm的6061铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度900r/min，焊接速度47.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.1mm，搅拌针扎入焊板后原位停留5s后进行焊接，与实施例一不同的是：搅拌头无偏置，在室温下焊接，无强制冷却，焊接时搅拌头粘着严重，成形性差，X射线衍射分析结果：有大量金属间化合物生成，抗拉强度达到6061铝合金的49.3％，延伸率为1.6％，焊接性能大幅下降，断裂位置位于焊核区镁合金侧。
[0063] 实施例二:
[0064] 本实施例适用的超高强7056铝合金和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦焊接。
[0065] 按照本发明的方法，将厚度4.05mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，3.97mm的7056铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度800r/min，焊接速度37.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.15mm，搅拌针偏置镁侧0.4mm，施焊前冷却水槽温度为室温，搅拌针扎入焊板后原位停留4s后进行焊接，水槽温度保持在60℃。
[0066] 焊后检验：焊缝表面、内部均无缺陷；X射线衍射分析结果：未见金属间化合物生成；拉伸实验结果：抗拉强度达到7056铝合金的81.2％，延伸率为4.9％，断裂位置位于焊核区镁合金侧。
[0067] 对比例二：
[0068] 将厚度4mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，4mm的7056铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度800r/min，焊接速度37.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.15mm，搅拌针偏置镁侧0.4mm，施焊前冷却水槽温度为室温，搅拌针扎入焊板后原位停留4s后进行焊接，水槽温度保持在60℃，与实施例二不同的是：两块焊接试板厚度一致。
[0069] 焊后检验：焊缝表面成形较差，铝合金侧飞边严重、焊缝内部出现孔洞缺陷；X射线衍射分析结果：未见金属间化合物生成；拉伸实验结果：抗拉强度达到7056铝合金的65.4％，延伸率为2.8％，焊接性能下降明显，断裂位置位于焊核区镁合金侧。
[0070] 实施例三:
[0071] 本实施例适用的轻金属5052铝合金和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦焊接。
[0072] 按照本发明的方法，将厚度4.08mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，3.97mm的5052铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度1180r/min，焊接速度47.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.15mm，搅拌针偏置镁侧0.5mm，施焊前冷却水槽温度为室温，搅拌针扎入焊板后原位停留3s后进行焊接，水槽温度保持在50℃。
[0073] 焊后检验：焊缝表面、内部均无缺陷；X射线衍射分析结果：未见金属间化合物生成；拉伸实验结果：抗拉强度达到5052铝合金的78.5％，延伸率为5.1％，断裂位置位于焊核区镁合金侧。
[0074] 对比例三：
[0075] 将厚度4.08mm的AZ31镁合金板放置在工作台前进侧(右侧)，3.97mm的5052铝合金板放置在后退侧(左侧)，无间隙组对后，采用后盾夹具夹紧。焊接工艺参数：旋转速度1180r/min，焊接速度47.5mm/min，轴肩直径14mm，压下量0.15mm，施焊前冷却水槽温度为室温，搅拌针扎入焊板后原位停留3s后进行焊接，水槽温度保持在50℃，与实施例三不同的是：搅拌针无偏置，焊接时焊缝表面出现犁沟、无法形成有效连接，搅拌针粘着严重。
[0076] 上述实施例可以看出，采用本发明方法进行轻金属材料搅拌摩擦焊接，可有效降低焊接缺陷，消除焊缝组织中金属间化合物的生成，焊接综合性能显著提高，同时，金属间化合物的消除有利于减小搅拌头的磨损，大大延长了其使用寿命。
[0077] 以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
[0078] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0079] 此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
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