CN101362252A - 组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头及其制造工艺，它包括一个与摩擦搅拌焊机主轴的连接的柱体，在所述柱体的轴向端面上凸出有轴肩，在轴肩的上端面中部设有凸出的立方氮化硼聚晶针柱体，在轴肩上端面内立方氮化硼聚晶针柱体的四周设有立方氮化硼聚晶条体。所述的立方氮化硼聚晶条体在轴肩的上端面呈长短均匀放射状排列。所述的立方氮化硼聚晶条体的上端面与立方氮化硼聚晶针柱体之间的夹角a在90°～80°之间。本发明的优点是：它采用高红硬性、高耐磨性的立方氮化硼为搅拌头工作材料，它的红硬性可达到1500℃以上，而立方氮化硼与一般金属合金的亲和力差，可有效地克服搅拌头与软化金属合金的粘连，应用粉末冶金技术由高温合金将立方氮化硼拼块而成复杂形状的搅拌头，克服了由单体立方氮化硼成型各种复杂形状搅拌头的困难。

Description

组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头及其制造工艺
技术领域
本发明涉及摩擦搅拌焊技术领域，特别是一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头及其制造工艺。
背景技术
1991年英国焊接研究所发明了一种新型固态焊接技术，其特点是，在摩擦焊接机的主轴上安装一个高速旋转的摩擦搅拌焊接的旋转工具(亦称摩擦搅拌头，它由凸针柱体和轴肩构成)，由于摩擦搅拌头与焊接焊缝金属合金的高速摩擦而发热，致使焊缝附近金属合金材料高温软化，搅拌头带动处于热塑性流变的缝焊合金材料被搅拌，随着搅拌头沿焊缝方向平行移动，被热搅拌的焊缝合金逐渐凝固，使焊接在非熔化状态下被本身合金材料所缝合。
这种新的焊接技术有别于传统焊接技术在于：钎焊、电弧焊、激光焊均以在焊缝处外加熔化的钎焊合金或用高能量使焊缝合金熔化而实现焊接。这种传统的焊接技术主要存在问题在于对一些合金材料因熔化而无法实现焊接，或焊缝强度脆弱，而且焊件形变大。
现用摩擦搅拌头存在的问题：从上述摩擦搅拌焊接技术原理可知，摩擦搅拌头是实现该焊接技术的关键。它应有如下性能：<A>有足够的高温强度。<B>有足够的高温耐磨性。<C>与高温软化的被焊接材料有尽可能低的粘连性。
目前使用的摩擦搅拌头均为单体的高速钢、高温合金、硬质合金及立方氮化硼等制成，前三者耐高温有限，且高温耐磨性差，而后者难以加工成型成不同结构的搅拌头。
发明内容
本发明的目的是提供一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头及其制造工艺，搅拌头可以在更高温度下工作，它的红硬性可达到1500℃以上，有极佳的高温高耐磨性，而立方氮化硼与一般金属合金的亲和力差，可有效地克服搅拌头与软化金属合金的粘连，其制造方法简便、适用。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头，它包括一个与摩擦搅拌焊机主轴连接的柱体，在所述柱体的轴向端面上凸出有轴肩，在轴肩的上端面中部设有凸出的立方氮化硼聚晶针柱体(针凸)，在轴肩上端面内立方氮化硼聚晶针柱体的四周设有立方氮化硼聚晶条体。
所述的立方氮化硼聚晶条体在轴肩的上端面呈长短均匀放射状排列。
所述的立方氮化硼聚晶条体的上端面与立方氮化硼聚晶针柱体之间的夹角a在90°～80°之间。
所述立方氮化硼聚晶(针凸和条)是通过高温高压手段获得的，是公知的方法，市场上可以得到的。
中央针凸1由单一立方氮化硼聚晶针(柱)构成，其直径D，和凸出高度H由焊接件板厚不同而选定。条状的形状构成了形成焊缝型面。
粘结胎体，它牢固地粘合着立方氮化硼聚晶拼块，构成了摩擦搅拌头的轴肩，并与针凸(柱)成为一体。
采用W、Mo、WC高熔点材料为粘结基体的骨架。所谓骨架材料是热压烧结中不熔化并保持固相。所述W、Mo是金属，而WC可称金属碳化物。
而粘结相至少采用以下Cr、Ti、Ni、Co金属粉末中的一种或其混合粉末，所谓粘结相是在热压中熔化形成液相，通过它将骨架材料烧结成一体。
本发明的优点是：
1、它采用高红硬性、高耐磨性的立方氮化硼为搅拌头工作材料，使搅拌头可以在更高温度下工作；。
2、立方氮化硼由易成型的立方氮化硼聚晶针柱体和立方氮化硼聚晶条体拼接组合而成，使搅拌头的结构可以按摩擦搅拌焊的工作特点而较随意设计，克服单体立方氮化硼成型的困难。
3、采用粉末冶金技术(热压或烧结)成型，用有更高温高强度合金，并确保组合立方氮化硼搅拌头的成型并能在较高温度下工作。
4、本发明采用高温高压获得的立方氮化硼为原料，它的红硬性可达到1500℃以上，有极佳的高温高耐磨性，而立方氮化硼与一般金属合金的亲和力差，可有效地克服搅拌头与软化金属合金的粘连。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是图1的A—A向结构示意图。
图3是图1的B—B向结构示意图。
具体实施方式
参见图1、图2、图3所示：一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头，它包括有一个与摩擦搅拌焊机主轴连接的柱体4，在所述柱体4的轴向端面上凸出有轴肩3，在轴肩3的上端面中部设有凸出的立方氮化硼聚晶针柱体1，在轴肩3上端面内立方氮化硼聚晶针柱体1的四周设有立方氮化硼聚晶条体2。
所述的立方氮化硼聚晶条体2在轴肩的上端面呈长短均匀放射状排列。由立方氮化硼聚晶针柱体1、立方氮化硼聚晶条体2与柱体4共同组成搅拌头。
所述的立方氮化硼聚晶条体2的上端面与立方氮化硼聚晶针柱体1之间的夹角a在90°～80°之间。本实施例的夹角a是85°，当夹角a选在小于90°大于80°之间时，使摩擦搅拌焊接时熔融的金属包容在轴肩3的夹角a内，形成理想的摩擦搅拌焊接效果。
具体实施方式
实施例1.
1.按搅拌头的结构设计，加工好相应的阴模，在阴模内先布入立方氮化硼聚晶针凸，然后将立方氮化硼聚晶条胶结在阴模上。
2、烧结基体粉末配置：将粉末粒度30～50μm的WC和粉末粒度200目～400目Cr粉按如下比例混合均匀，85％WC+15％Cr(重量百分)
2.将2中的混合粉末按要求重量，加入至1中所述的阴模腔体中，并加上模压头。
3.将3的模具置于加热炉中，加热至1600～1800℃，并加压力80～100Kg/cm2，保温5～15分钟。
4.将热压烧结的搅拌头胚块，从模具脱出，并按图纸要求精加工至所需外形尺寸。
实施例2
配方是粘结基体粉末配置：将粒度为200目～400目的Mo，Cr，Ni粉末按如下比例混合均匀，80％Mo+15％Cr+5％Ni，其余工艺条件同实施例1。
实施例3
配方是粘结基体粉末配置：将粒度为200目～400目的W、Cr、Co粉末，按如下比例混合均匀，75％W+20％Cr+5％Co其余工艺条件同实施例1。
上述三个实施例均可以得到耐高温、耐磨损的摩擦搅拌头，可以用于铝合金、镁合金、铜合金及特殊钢中应用。

Claims (7)

1、一种组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头，它包括一个与摩擦搅拌焊机主轴连接的柱体(4)，其特征在于：在所述柱体(4)的轴向端面上凸出有轴肩(3)，在轴肩(3)的上端面中部设有凸出的立方氮化硼聚晶针柱体(1)，在轴肩(3)上端面内立方氮化硼聚晶针柱体(1)的四周设有立方氮化硼聚晶条体(2)。
2、根据权利要求1所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头，其特征在于：所述的立方氮化硼聚晶条体(2)在轴肩的上端面呈长短均匀放射状排列。
3、根据权利要求1或2所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头，其特征在于：所述的立方氮化硼聚晶条体(2)的上端面与立方氮化硼聚晶针柱体(1)之间的夹角a在90°～80°之间。
4、一种制造权利要求1所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头的方法：其特征在于：它包括以下几个步骤：
(1)、立方氮化硼拼块的布装：按搅拌头结构设计图，加工好相应的阴模，在阴模内先布入立方氮化硼针凸，然后将立方氮化硼聚晶条胶结在阴模上。
(2)、烧结基体粉末的配置：粘结立方氮化硼聚晶拼块并构成搅拌头胎体的粉末包括：作为骨架的高熔点、高强度的粘接基体金属粉末，作为粘结相金属或它门的合金粉末；将上述粉末混合，充填入布装有立方氮化硼聚晶的阴模中。
(3)、粉末冶金热压烧结：将阴模放置于中频感应炉中，升温至1600～1800℃，并加压力80～100kg/cm2烧结。
(4)、精加工：将热压烧结后的搅拌头坯机械加工至成品尺寸
5权利要求4所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头的方法：其特征在于：高熔点金属为W或Mo或WC。
6、权利要求5所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头的方法：其特征在于：至少采用以下Cr、Ti、Ni、Co金属中的一种，或它们的合金。
7、权利要求4所述的组合立方氮化硼摩擦搅拌焊接搅拌头的方法：其特征在于：高熔点金属占粉体重量比70～95％，其余为粘接相。
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