CN101537529A - 一种搅拌摩擦焊的搅拌头及其超细晶制备方法 - Google Patents

Abstract

一种搅拌摩擦焊的搅拌头，该搅拌头集电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统于一体，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头及其装置，可用于电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接，以及剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶粒材料。

Description

一种搅拌摩擦焊的搅拌头及其超细晶制备方法

技术领域

本发明涉及焊接技术和表面工程领域，特别是一种搅拌摩擦焊的搅拌头和电磁振动原位复合电磁场作用搅拌摩擦焊接方法与超细晶制备方法和设备。

背景技术

1991年英国焊接研究所(TWI)的W.M.Thomas发明了搅拌摩擦焊技术，并在中国取得了专利授权(ZL95192193.2)，这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊接技术具有明显的优越性，使其成为近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应用的焊接技术之一。搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在铝合金领域，随着其应用领域、连接对象和材料的不断扩展，搅拌摩擦焊技术在低熔点的有色金属中得到了成功的拓展。搅拌摩擦焊技术并没有如早先乐观估计的那样在船舶、管道、卡车、铁路、交通等领域成为最具吸引力的制造技术而取得众多的应用成果，搅拌摩擦焊接较高熔点的金属材料(如钢材等)，是目前所面临的挑战，这是搅拌摩擦焊进一步拓展应用领域所必须要解决的问题。同时，即使是在低熔点的有色金属的搅拌摩擦焊接时，也存在焊接缺陷，工艺要求比较苛刻，焊接的工艺窗口较窄，搅拌摩擦设备复杂，搅拌摩擦焊接技术的实际应用受到局限。

另一方面，对于超细晶材料，由于尺寸的减小，产生表面效应、量子尺寸效应、体积效应和量子隧道效应等，使材料表现出传统固体不具有的化学性能、机械性能、电学性能、磁学性能和光学性能等特异性能。由于超细晶材料或纳米材料特殊的性能，将细晶技术和超细晶材料应用到工业生产的各个领域，使产品性能发生改变或较大程度的提高，利用细晶科技对传统工业，特别是对重工业进行改造，给传统产业带来了新的发展机遇。

目前，在金属材料表面制备超细或纳米组织结构层的常用方法是：涂层法和机械研磨法，利用涂层法在金属材料表面制备的纳米层与集体的结合强度有限，容易脱落，并且生产成本比较高，设备复杂，不适工程机构表面的合大面积大厚度纳米组织结构材料的制备与处理。而机械研磨法产生的纳米结构层厚度有限，同时纳米组织沿厚度方向不均匀而成为一种梯度分布模式，不能处理较大形状的工件，操作麻烦、消耗材料大成本高，不适合大批量工业化的实际需要。

剧烈塑性变形法是制备超细晶和纳米晶金属材料的有效方法，在常温或相对较低温度下就可获得超细晶或者纳米晶组织材料，主要包括高压扭转塑性变形法和等径侧向挤压法等。采用剧烈塑性变形法制备超细晶或者纳米晶组织材料的关键是获得大应变速率、大应变程度和较低变形温度的变形条件，但是在具体实施过程中，为了得到大厚度和大面积的大块超细晶或者纳米晶组织材料，使整块金属材料都处于上述变形条件是非常困难的。

如何将搅拌摩擦焊接技术应用于超细晶材料或纳米材料的制备引起了科技工作者的关注，作为剧烈塑性变形制备超细晶材料或纳米材料技术之一——使用常规的搅拌摩擦技术制备超细晶材料或纳米材料受到许多局限，例如，只能在低熔点的有色金属材料表面制备超细晶粒组织，沿厚度方向组织不均匀和纳米晶层较薄，塑性变形后的细小晶粒容易长大变成粗晶组织，这就是采用搅拌摩擦技术利用其剧烈塑性变形制造超细晶材料或纳米材料目前所面临的主要问题。

发明内容

针对现有搅拌摩擦技术和剧烈塑性变形法制备金属超细晶材料存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低成本、高稳定性、优质的搅拌摩擦焊接的搅拌头及其一种新型的搅拌摩擦焊接方法、剧烈塑性变形制备大厚度大面积纳米材料的方法与设备，以便突破常规搅拌摩擦焊接技术和表面工程技术的局限性，及其对搅拌头高昂的材料制备成本、苛刻的工艺条件、较短的使用寿命的牵制，解决高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接的高质量与低成本的有效合理匹配，解决常规搅拌摩擦焊接的搅拌头成本高、寿命低、焊接高熔点金属困难的技术问题和高熔点金属表面搅拌摩擦剧烈塑性变形法制备大厚度大面积超细晶或纳米材料的难题，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面工程领域开拓新的工程应用范围，为使用成熟的机械加工技术提供剧烈塑性变形制备纳米材料新技术。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括搅拌头本体和位于搅拌头本体下部的轴肩和搅拌针，还包括电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头及其装置。

本发明提供的搅拌摩擦焊的搅拌头，所述电磁振动系统包括搅拌头的本体上部设计成E形结构，安装在其内的电磁振动线圈，固定于摩擦焊机上的衔铁，提供激磁电流的电磁振动电源，以及由导电环、碳电刷、绝缘支撑架和绝缘块构成的激磁电流通道；导电环材料为紫铜，通过径向摩擦焊接，将导电环与搅拌头的本体连接成一体，碳电刷材料为添加8-12％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷；绝缘块使导入电磁振动线圈的正负极电流回路分离，电磁振动线圈通过导线与导电环连接；电磁振动电源提供一定强度的交变电流，电磁振动线圈产生的磁场与衔铁相互作用形成电磁力，而衔铁固定在焊机上不动，促使搅拌头本体以一定的振幅和较高的频率振动，通过搅拌头本体将电磁振动能量导入工件，在工件与搅拌头的搅拌针和轴肩之间的接触面上快速相对移动因振动搅拌摩擦而使金属发生塑性变形，用电磁振动与搅拌摩擦复合作用的方法实现材料的连接。

本发明提供的搅拌摩擦焊的搅拌头，所述电磁作用系统由电磁振动系统和搅拌头原位复合构成，位于搅拌头的本体上部的E形电磁振动机构，电磁振动线圈产生的一定强度和频率的交变磁场，通过搅拌头的本体、搅拌针和轴肩得到增强并传递到工件，在工件的内部形成分布的磁场，该磁场与搅拌摩擦过程相互作用，电磁作用复合搅拌摩擦过程共同影响并作用焊缝搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动过程，控制晶粒的回复、再结晶、长大行为，形成优质焊缝，完成对工件的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接。

本发明提供的搅拌摩擦焊的搅拌头，所述气体保护强制冷却系统包括安装在搅拌头后侧面紧靠轴肩和工件位置的保护气体冷却喷管，从保护气体冷却喷管中喷出的冷却保护气体介质直接冷却焊缝后部的高温金属，在保证焊接金属塑性应变速率的条件下控制焊缝金属的温度，保证焊缝晶粒细化、减少缺陷，并避免焊缝金属氧化起到气体保护功能，实现焊缝的优质连接；所述内部强制冷却系统包括设置于搅拌头本体内部的一个中空结构的空腔，入水管，套管和动密封绝缘组件组合集成，所述入水管用于将液体冷凝介质引入搅拌头的腔体内，并到达接近于搅拌针的搅拌头本体的下部位置，套管为出水管，通过动密封绝缘组件与旋转的搅拌头本体连接，使冷凝介质在搅拌头内部空腔体内循环流动，实现对搅拌头本体和焊缝搅拌区塑变金属的温度控制。

本发明提供的搅拌摩擦焊的搅拌头，还设置有温度感应系统，所述温度感应系统是无源无线的高温传感测量系统，由温度传感器，发射器和接受器构成，温度传感器是自耦合电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩端面处，发射器位于搅拌头本体上部与温度传感器连接，可通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号并传输给控制计算机，并利用计算机实现搅拌针及其附近温度的实时无源无线电阻式感应温度检测；绝缘还包括有密封绝缘系统，所述密封绝缘系统主要包括动密封组件，绝缘支撑架和绝缘件以及设置于工件与焊接平台夹持之间的绝缘件，动密封绝缘组件设置于搅拌头本体内部腔体的上部与套管和入水管之间，动密封绝缘组件为唇型密封结构，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，密封绝缘系统保证焊机的安全，电磁振荡系统的正常工作，实现对工件的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊。

本发明提供了一种搅拌摩擦焊接方法，包括搅拌摩擦固相焊接方法，其特点在于，使用了上述结构的搅拌摩擦焊的搅拌头，是一种电磁振动原位复合电磁作用搅拌摩擦强制温度控制的焊接技术，具体方法是在搅拌头本体上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈，与固定在摩擦焊机上的衔铁相互作用，使得搅拌头作高速搅拌运动和一定强度频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈形成的交变电磁场又通过搅拌头本体的强化作用，从轴肩和搅拌针导入到工件内部，在工件内部形成一定强度的交变电磁场作用，并在搅拌头后部气体保护强制冷却系统的温度控制下限制晶粒长大，并保护焊缝金属不被氧化，形成细小的焊缝晶粒，从而使工件实现固相摩擦焊接。

本发明提供的上述方法，电磁振动线圈，通过电磁振动电源提供高频或中频、一定强度、时变的励磁电流，形成一定强度的高频或中频电磁轴向振动或电磁径向振动或扭振运动，并通过搅拌头本体的强化作用，通过轴肩和搅拌针导入工件内部，形成一定强度的高频或中频时变磁场分布，对搅拌摩擦的焊缝成型形成电磁作用机制。

本发明提供的上述方法，强制冷却介质为液态氮，或干冰，或高压低温惰性气体，或高压低温混合保护气体，同时具备气体保护的功能。

本发明还提供了一种剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶粒材料的方法，包括剧烈搅拌摩擦塑性变形，其特点在于，使用了上述结构的搅拌摩擦焊的搅拌头，是一种电磁振动原位复合电磁作用剧烈搅拌摩擦强制冷却温度控制技术制备大厚度大面积金属超细晶材料的技术，具体方法是在搅拌头上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈，与固定在摩擦焊机上的衔铁相互作用，使得搅拌头作高速搅拌运动和一定频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈形成的高频电磁场又通过搅拌头的强化作用，从轴肩和搅拌针导入到工件内部，在工件表面和内部形成一定强度的交变磁场，在该电磁振动原位复合电磁作用机制下，并在搅拌头后部气体保护强制冷却系统的温度控制金属内部的位错运动，晶粒回复、再结晶与长大机制的共同作用下，工件表面一定厚度内粗晶组织发生剧烈的塑性变形而破碎形成稳定的超细晶组织，实现大厚度大面积组织均匀的金属纳米材料的制备。

本发明具有如下优点：

1.本发明提供了一种新型的搅拌头，该搅拌头集电磁振动、电磁场作用、强制冷却控制、气体保护、剧烈塑性变形、温度控制、参数检测等多项重要功能于一体，是一种集成式智能化的新型结构的搅拌头，使用成本低、寿命长，通过多种控制手段解决搅拌摩擦焊接区熔化、接头热输入不足、搅拌头温度过高、接头冷却速度太快和焊接区金属氧化等问题，将电磁振动和电磁作用引入搅拌摩擦焊接，明显提高搅拌头的使用寿命，极大地降低焊接成本，提高效率，并不需要增加一套焊接系统(如激光复合搅拌摩擦焊接技术、电弧复合搅拌摩擦焊接技术那样)，搅拌头结构没有大的改变，满足接头处于固相焊接的要求，增强了接头性能，实现了高效、优质、低成本的高熔点金属和轻合金搅拌摩擦焊接过程，是一种绿色制造和可持续发展模式。

2.本发明提供的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊方法和设备，是基于用电磁振动与搅拌摩擦复合作用理论实现材料的固相摩擦连接，是电磁振动、电磁场作用、强制冷却控制、气体保护、温度控制等多种作用下搅拌摩擦焊接新方法，通过电磁振动搅拌头在工件的内部形成分布的电磁场，形成电磁作用复合电磁振动搅拌摩擦过程共同影响并作用焊缝搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动过程，控制晶粒的回复、再结晶、长大行为，控制焊缝金属的温度，保证焊缝晶粒细化、减少缺陷，形成优质焊缝，完成对工件的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接。

3.本发明开拓了固相焊接工程领域新型搅拌摩擦焊接技术，突破了高熔点金属搅拌摩擦焊接高成本和低质量的两个相互矛盾的限制，实现了高熔点金属与低熔点金属搅拌摩擦焊接高效、优质、低成本的有效协调与合理统一，降低了对搅拌头材料使用与加工制备、搅拌摩擦焊接工艺的苛刻要求，采用完善电磁振动摩擦复合焊接技术成功克服了普通搅拌头和搅拌摩擦接技术的使用局限，从而在可持续发展、满足循环经济需求的先进搅拌摩擦技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了贡献。

4.本发明不仅在高熔点金属搅拌摩擦焊接技术领域实现突破，而且拓展了搅拌摩擦焊接的工程应用范围，在表面工程领域的纳米制造新技术中得到实际的应用和体现，能够原位复合制备超细晶或纳米晶；在机械传动件及机构、机械设备的制造与利用，关键部件修复，先进材料的制备，资源的循环利用，以及绿色循环制造与装备、表面工程等领域具有广阔的应用价值与发展前景。本发明实现高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的搅拌摩擦焊接过程。

5.本发明提供的超细晶材料表面处理制备方法简单，设备可靠，操作方便，易于控制变形温度、应变量和变形速度，可以获得大厚度大面积组织结构均匀的纳米材料，与整块金属材料大变形技术所需的能量小，生产效率高，设备简单，对传统的搅拌摩擦焊机设备进行简单的改造和必要的改进，优化工艺参数就可获得优质的纳米结构层和纳米材料，极大地降低了制备成本，提高搅拌头的寿命；该方法和设备的适应性很强，可用于各种复杂结构工件和机构的表面纳米化处理，通过微观结构的调整和变化强化金属，不改变材料的成分，制备后的表面质量高，纳米组织均匀一致，并能达到一定厚度的纳米结构层，满足了工业化的需求，也能实现较高熔点金属材料表面大厚度大面积纳米组织结构的处理与金属纳米材料的制备。

总之，本发明通过提供一种新型电磁振动、原位复合电磁场作用、剧烈搅拌摩擦、温度控制实现了电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊新方法和设备，以及制备大厚度大面积金属纳米晶材料和超细晶材料的先进方法和设备，利用电磁振动、电磁场控制相转变、载流搅拌摩擦、强制冷却、剧烈大变形的综合作用，消除采用常规搅拌摩擦焊接合剧烈塑性变形纳米制备技术的一系列难题，克服了高熔点金属纳米材料制备的成本问题，以及低熔点金属纳米制备苛刻的工艺要求，提高了生产效率，节约了能量，实现了低成本、高效、优质、简单、可靠、均匀、高性能焊接接头盒大厚度大面积金属纳米晶材料和超细晶材料的制备，拓展了搅拌摩擦学的工程应用领域。

附图说明

图1是本发明制备纳米材料的方法和设备的示意图；

图中，1.搅拌头；2.搅拌针；3.轴肩；4.电磁振动线圈；5.导电环；6.绝缘支撑架；7.电源；8.入水管；9.动密封绝缘组件；10.套管；11.衔铁；12.温度传感器；13.发射器；14.绝缘块；15.工件；16.喷管；17.碳电刷；18.腔体。

具体实施方式

本发明主要包含一种电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌头和电磁振动原位复合电磁场作用搅拌摩擦焊接方法与超细晶材料制备方法和设备。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.一种电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌头

本发明的搅拌头是集电磁振动、电磁场作用、强制冷却控制、气体保护、剧烈塑性变形、温度控制、参数检测等多项重要功能于一体，是一种集成式智能化的新型结构的搅拌头。

如图1所示：电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌头包括搅拌头1本体和位于搅拌头1本体下部的轴肩3和搅拌针2，还包括电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头及其装置。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌头所述电磁振动系统包括搅拌头1的本体上部设计成E形结构，安装在其内的电磁振动线圈4，固定于摩擦焊机上的衔铁11，提供激磁电流的电磁振动电源7，以及由导电环5、碳电刷17、绝缘支撑架6和绝缘块14构成的激磁电流通道；导电环5材料为紫铜，通过径向摩擦焊接，将导电环5与搅拌头1的本体连接成一体，碳电刷17材料为添加8-12％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷17；绝缘块14使导入电磁振动线圈4的正负极电流回路分离，电磁振动线圈4通过导线与导电环5连接；电磁振动电源7提供一定强度的交变电流，电磁振动线圈4产生的磁场与衔铁11相互作用形成电磁力，而衔铁11固定在焊机上不动，促使搅拌头1本体以一定的振幅和较高的频率振动，通过搅拌头1本体将电磁振动能量导入工件15，在工件15与搅拌头1的搅拌针2和轴肩3之间的接触面上快速相对移动因振动搅拌摩擦而使金属发生塑性变形，用电磁振动与搅拌摩擦复合作用的方法实现材料的连接。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌头所述电磁作用系统由电磁振动系统和搅拌头原位复合构成，位于搅拌头1的本体上部的E形电磁振动机构，电磁振动线圈4产生的一定强度和频率的交变磁场，通过搅拌头1的本体、搅拌针2和轴肩3得到增强并传递到工件15，在工件15的内部形成分布的磁场，该磁场与搅拌摩擦过程相互作用，电磁作用复合搅拌摩擦过程共同影响并作用焊缝搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动过程，控制晶粒的回复、再结晶、长大行为，形成优质焊缝，完成对工件15的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌所述气体保护强制冷却系统包括安装在搅拌头1后侧面紧靠轴肩3和工件15位置的保护气体冷却喷管16，从保护气体冷却喷管16中喷出的冷却保护气体介质直接冷却焊缝后部的高温金属，在保证焊接金属塑性应变速率的条件下控制焊缝金属的温度，保证焊缝晶粒细化、减少缺陷，并避免焊缝金属氧化起到气体保护功能，实现焊缝的优质连接；所述内部强制冷却系统包括设置于搅拌头1本体内部的一个中空结构的空腔18，入水管8，套管10和动密封绝缘组件9组合集成，所述入水管8用于将液体冷凝介质引入搅拌头1的腔体18内，并到达接近于搅拌针2的搅拌头本体的下部位置，套管10为出水管，通过动密封绝缘组件9与旋转的搅拌头1本体连接，使冷凝介质在搅拌头内部空腔体内循环流动，实现对搅拌头1本体和焊缝搅拌区塑变金属的温度控制。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的搅拌还设置有温度感应系统，所述温度感应系统是无源无线的高温传感测量系统，由温度传感器12，发射器13和接受器构成，温度传感器12是自耦合电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头1的轴肩3端面处，发射器13位于搅拌头1本体上部与温度传感器12连接，可通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号并传输给控制计算机，并利用计算机实现搅拌针2及其附近温度的实时无源无线电阻式感应温度检测；绝缘还包括有密封绝缘系统，所述密封绝缘系统主要包括动密封组件9，绝缘支撑架6和绝缘件14以及设置于工件15与焊接平台夹持之间的绝缘件，动密封绝缘组件9设置于搅拌头1本体内部腔体18的上部与套管10和入水管8之间，动密封绝缘组件9为唇型密封结构，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，密封绝缘系统保证焊机的安全，电磁振荡系统的正常工作，实现对工件15的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊。

二.一种电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊方法

如图1所示：电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法，包括搅拌摩擦固相焊接方法，电磁振动原位复合电磁作用搅拌摩擦强制温度控制的焊接技术，具体方法是在搅拌头1本体上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈4，与固定在摩擦焊机上的衔铁11相互作用，使得搅拌头1作高速搅拌运动和一定强度频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈4形成的交变电磁场又通过搅拌头1本体的强化作用，从轴肩3和搅拌针2导入到工件15内部，在工件15内部形成一定强度的交变电磁场作用，并在搅拌头1后部气体保护强制冷却系统的温度控制下限制晶粒长大，并保护焊缝金属不被氧化，形成细小的焊缝晶粒，从而使工件15实现固相摩擦焊接。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法的电磁振动线圈4，通过电磁振动电源7提供高频或中频、一定强度、时变的励磁电流，形成一定强度的高频或中频电磁轴向振动或电磁径向振动或扭振运动，并通过搅拌头1本体的强化作用，通过轴肩3和搅拌针2导入工件15内部，形成一定强度的高频或中频时变磁场分布，对搅拌摩擦的焊缝成型形成电磁作用机制。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法的强制冷却介质为液态氮，或干冰，或高压低温惰性气体，或高压低温混合保护气体，同时具备气体保护的功能。

三.金属材料表面纳米晶粒组织和纳米材料的制备方法和设备

本发明是集电磁振动、电磁场作用、强制冷却控制、气体保护、剧烈塑性变形、温度控制、参数检测等多项重要功能于一体的集成式智能化简单的金属材料表面纳米晶粒组织的制备方法和设备。

如图1所示：剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶粒材料的方法包括剧烈搅拌摩擦塑性变形，电磁振动原位复合电磁作用剧烈搅拌摩擦强制冷却温度控制技术制备大厚度大面积金属超细晶材料，具体方法是在搅拌头1上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈4，与固定在摩擦焊机上的衔铁11相互作用，使得搅拌头1作高速搅拌运动和一定频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈4形成的高频电磁场又通过搅拌头1的强化作用，从轴肩3和搅拌针2导入到工件15内部，在工件15表面和内部形成一定强度的交变磁场，在该电磁振动原位复合电磁作用机制下，并在搅拌头1后部气体保护强制冷却系统的温度控制金属内部的位错运动，晶粒回复、再结晶与长大机制的共同作用下，工件15表面一定厚度内粗晶组织发生剧烈的塑性变形而破碎形成稳定的超细晶组织，实现大厚度大面积组织均匀的金属纳米材料的制备。

剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶材料的设备包括搅拌头1本体和位于搅拌头1本体下部的轴肩3和搅拌针2，还包括电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦剧烈塑性变形的搅拌头及其装置；

剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶材料的设备所述的电磁振动系统包括搅拌头1的本体上部设计成E形结构，安装在其内的电磁振动线圈4，固定于摩擦焊机上的衔铁11，提供激磁电流的电磁振动电源7，以及由导电环5、碳电刷17、绝缘支撑架6和绝缘块14构成的激磁电流通道；导电环5材料为紫铜，通过径向摩擦焊接工艺，将导电环5与搅拌头1的本体连接成一体，碳电刷17材料为添加8-12％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷17；绝缘块14使导入电磁振动线圈4的正负极电流回路分离，电磁振动线圈4通过导线分别与导电环5连接；电磁振动电源7提供一定强度的交变电流，电磁振动线圈4产生的磁场与衔铁11相互作用形成电磁力，而衔铁11固定在焊机上不动，促使搅拌头1以一定的振幅和较高的频率振动，通过搅拌头1将电磁振动能量导入工件15，在工件15与搅拌头1的搅拌针2和轴肩3之间的接触面上快速相对移动因振动搅拌摩擦而使金属发生剧烈塑性变形，用电磁振动与搅拌摩擦复合作用的方法制备大厚度大面积的超细晶材料。

四.共性问题

本发明的电磁振动线圈4，通过电磁振动电源7提供高频或中频、一定强度、时变的励磁电流，形成一定强度的高频或中频电磁轴向振动或电磁径向振动或扭振运动，并通过搅拌头1的强化作用，通过轴肩3和搅拌针2导入工件15内部，形成一定强度的高频或中频时变磁场分布。

电源7提供的载流为普通直流电流，通过搅拌头1的轴肩3和搅拌针2导入工件15内部形成的直流分布电场；

或者，载流为工频交流电流，在工件15内部形成工频交流分布电场；

或者，载流为中频交流电流，在工件15内部形成中频交流分布电场；

或者，载流为高频交流电流，在工件15内部形成中频交流分布电场；

或者，载流为直流脉冲电流，在工件15内部形成脉冲频率、占空比、脉冲时间、脉冲幅值变化的直流脉冲分布电场；

或者，载流为变极性脉冲直流电流，在工件15内部形成极性、脉冲频率、占空比、脉冲时间、脉冲幅值变化的变极性脉冲分布电场；

或者，载流为变极性脉冲直流电流，在工件15内部形成极性、脉冲频率、占空比、脉冲时间、脉冲幅值变化的变极性脉冲分布电场。

强制冷却介质为液态氮，或干冰，或高压低温惰性气体，或高压低温混合保护气体，同时具备气体保护的功能。

搅拌头1的基体采用不锈钢材料，搅拌针2为锥形结构或者圆柱形结构；

在搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的PVD共同沉积MoS2/Ti纳米复合膜，

或者，采用真空烧结氮化方法制备以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，

或者，使用PVD方法共同沉积的类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，

或者，使用PVD方法制备的类金刚石纳米复合膜，

对搅拌针2和轴肩3进行强化处理，以增强搅拌头关键部位的抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高搅拌头的使用寿命。

本发明的方法和装置，在以下方面的用途：

用于黑色和有色金属及其合金材质的搅拌摩擦焊接，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；

用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；

用于电磁振动搅拌摩擦焊接：包括电磁振动搅拌摩擦点焊，电磁振动搅拌摩擦塞焊；

用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒。

用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；

用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；

用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括高熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备。

下面简述一下本发明的基本原理和特点：

本发明基本原理是：在搅拌摩擦过程中，通过设计的电磁振动系统使搅拌头工作在整个装置的谐振点附近：(1)在电磁振动条件下，电磁振动的搅拌摩擦焊接的搅拌头对摩擦界面导以振动能量和振动的机械作用，动载荷的加入，在较小的静压力条件下有利金属表面粗晶组织的破碎细化成超细晶粒或纳米结构，并且有利于纳米组织结构的均匀化，提高了生产效率，从而实现大厚度大面积纳米材料的制备，并且有利于搅拌摩擦区域的塑性变形和金属的流动，焊缝晶粒细化，实现优质搅拌摩擦焊接接头；(2)在电磁场的作用下，可以控制剧烈塑性变形细化的晶粒组织的回复、再结晶，相结构域相转变，金属塑变的织构，以及晶粒内部位错的产生、湮没、重叠、交割、运动、增值、重排等过程细化晶粒至纳米至纳米量级尺寸，并有利于实现无缺陷的搅拌摩擦焊缝；在电磁场的综合作用下，可以改变焊缝金属凝固状况和热处理效果，改变凝固过程温度分布，改善组织、相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低缺陷，有利于提高焊缝韧塑性，形成优质焊缝；(3)强制冷却作用，控制剧烈塑性变形在较低的温度条件下实现大变形过程，并且使粗大的晶粒发生相变形成细小的纳米晶粒，同时控制剧烈塑性大变形破碎形成的纳米晶粒不再长大，保证形成均匀一致的大厚度大面积的纳米材料。

电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法和设备及其超细晶材料的制备技术有如下优点：(1)电磁振动、电磁作用、与搅拌摩擦塑性变形复合共同作用，提高焊接接头或纳米材料制备的质量，拓展搅拌摩擦焊接或者剧烈塑性变形制备纳米材料的工艺窗口，增加了方法和设备的适应性；(2)在高熔点金属搅拌摩擦焊接或剧烈塑性变形制备纳米材料过程中，可以解决采用常规搅拌摩擦焊接方法或超细晶材料制备方法在搅拌区或界面处产热不足与塑变困难的问题，降低对搅拌头材料和制造工艺的要求，减少搅拌头成本，提高搅拌头使用寿命，实现低成本、优质的焊接或制备过程；(3)从搅拌头导入电磁振荡能量，并不需要增加另外一套复杂的系统，设备结构简单、没有大的改变；电磁振动能量、电磁场能量与摩擦热同时产生与输入，满足工件金属仍然处于固相状态的要求，材料的化学成分没有发生改变，获得无缺陷的焊接接头或优质大面积的纳米材料，保持了搅拌摩擦焊接或剧烈塑性变形制备纳米材料的技术优势，本发明对与搅拌摩擦在我国航空航天、国防、军事等领域拓展应用具有重要意义。

五.具体实施例：

下述实施例是按照本发明提供的方法和设备来实施的，但并不意味着是对本发明保护范围的限制。

例1：采用本方法和设备处理纯铜材料，工艺参数如下：搅拌头转数300-1500rmp，电磁振动频率为120-250Hz，电磁振动幅值为1-2mm，搅拌速度0.1-1.2m/min，液态氮气10-30L/min。

例2：采用本方法电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接1.6mm厚的304L不锈钢，工艺参数如下：搅拌头转数800-2000rmp，电磁振动频率为180-250Hz，电磁振动幅值为0.2-1mm，焊接速度0.1-1.2m/min，冷态氮气保护流量20-50L/min。

应该综合考虑电磁振动工艺参数、电磁场工艺参数和搅拌摩擦焊接工艺参数的合理匹配，使电磁振动作用、电磁场作用、保护气体、焊缝温度控制等手段有机结合，并根据实际应用对象和材料对主要工艺参数进行系统优化，这样保证获得高质量的焊接接头或优质功能层。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括搅拌头(1)本体和位于搅拌头(1)本体下部的轴肩(3)和搅拌针(2)，其特征在于，还包括电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头及其装置。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述电磁振动系统包括搅拌头(1)的本体上部设计成E形结构，安装在其内的电磁振动线圈(4)，固定于摩擦焊机上的衔铁(11)，提供激磁电流的电磁振动电源(7)，以及由导电环(5)、碳电刷(17)、绝缘支撑架(6)和绝缘块(14)构成的激磁电流通道；导电环(5)材料为紫铜，通过径向摩擦焊接，将导电环(5)与搅拌头(1)的本体连接成一体，碳电刷(17)材料为添加8-12％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷(17)；绝缘块(14)使导入电磁振动线圈(4)的正负极电流回路分离，电磁振动线圈(4)通过导线与导电环(5)连接；电磁振动电源(7)提供一定强度的交变电流，电磁振动线圈(4)产生的磁场与衔铁(11)相互作用形成电磁力，而衔铁(11)固定在焊机上不动，促使搅拌头(1)本体以一定的振幅和较高的频率振动，通过搅拌头(1)本体将电磁振动能量导入工件(15)，在工件(15)与搅拌头(1)的搅拌针(2)和轴肩(3)之间的接触面上快速相对移动因振动搅拌摩擦而使金属发生塑性变形，用电磁振动与搅拌摩擦复合作用的方法实现材料的连接。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述电磁作用系统由电磁振动系统和搅拌头原位复合构成，位于搅拌头(1)的本体上部的E形电磁振动机构，电磁振动线圈(4)产生的一定强度和频率的交变磁场，通过搅拌头(1)的本体、搅拌针(2)和轴肩(3)得到增强并传递到工件(15)，在工件(15)的内部形成分布的磁场，该磁场与搅拌摩擦过程相互作用，电磁作用复合搅拌摩擦过程共同影响并作用焊缝搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动过程，控制晶粒的回复、再结晶、长大行为，形成优质焊缝，完成对工件(15)的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述气体保护强制冷却系统包括安装在搅拌头(1)后侧面紧靠轴肩(3)和工件(15)位置的保护气体冷却喷管(16)，从保护气体冷却喷管(16)中喷出的冷却保护气体介质直接冷却焊缝后部的高温金属，在保证焊接金属塑性应变速率的条件下控制焊缝金属的温度，保证焊缝晶粒细化、减少缺陷，并避免焊缝金属氧化起到气体保护功能，实现焊缝的优质连接；所述内部强制冷却系统包括设置于搅拌头(1)本体内部的一个中空结构的空腔(18)，入水管(8)，套管(10)和动密封绝缘组件(9)组合集成，所述入水管(8)用于将液体冷凝介质引入搅拌头(1)的腔体(18)内，并到达接近于搅拌针(2)的搅拌头本体的下部位置，套管(10)为出水管，通过动密封绝缘组件(9)与旋转的搅拌头(1)本体连接，使冷凝介质在搅拌头内部空腔体内循环流动，实现对搅拌头(1)本体和焊缝搅拌区塑变金属的温度控制。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：还设置有温度感应系统，所述温度感应系统是无源无线的高温传感测量系统，由温度传感器(12)，发射器(13)和接受器构成，温度传感器(12)是自耦合电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头(1)的轴肩(3)端面处，发射器(13)位于搅拌头(1)本体上部与温度传感器(12)连接，可通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号并传输给控制计算机，并利用计算机实现搅拌针(2)及其附近温度的实时无源无线电阻式感应温度检测；绝缘还包括有密封绝缘系统，所述密封绝缘系统主要包括动密封组件(9)，绝缘支撑架(6)和绝缘件(14)以及设置于工件(15)与焊接平台夹持之间的绝缘件，动密封绝缘组件(9)设置于搅拌头(1)本体内部腔体(18)的上部与套管(10)和入水管(8)之间，动密封绝缘组件(9)为唇型密封结构，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，密封绝缘系统保证焊机的安全，电磁振荡系统的正常工作，实现对工件(15)的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊。

6.一种搅拌摩擦焊接方法，包括搅拌摩擦固相焊接方法，其特征在于，使用了上述结构的搅拌摩擦焊的搅拌头，是一种电磁振动原位复合电磁作用搅拌摩擦强制温度控制的焊接技术，具体方法是：在搅拌头(1)本体上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈(4)，与固定在摩擦焊机上的衔铁(11)相互作用，使得搅拌头(1)作高速搅拌运动和一定强度频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈(4)形成的交变电磁场又通过搅拌头(1)本体的强化作用，从轴肩(3)和搅拌针(2)导入到工件(15)内部，在工件(15)内部形成一定强度的交变电磁场作用，并在搅拌头(1)后部气体保护强制冷却系统的温度控制下限制晶粒长大，并保护焊缝金属不被氧化，形成细小的焊缝晶粒，从而使工件(19)实现固相摩擦焊接。

7.根据权利要求6所述的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：电磁振动线圈(4)，通过电磁振动电源(7)提供高频或中频、一定强度、时变的励磁电流，形成一定强度的高频或中频电磁轴向振动或电磁径向振动或扭振运动，并通过搅拌头(1)本体的强化作用，通过轴肩(3)和搅拌针(2)导入工件(15)内部，形成一定强度的高频或中频时变磁场分布，对搅拌摩擦的焊缝成型形成电磁作用机制。

8.根据权利要求6所述的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：强制冷却介质为液态氮，或干冰，或高压低温惰性气体，或高压低温混合保护气体，同时具备气体保护的功能。

9.一种剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶粒材料的方法，包括剧烈搅拌摩擦塑性变形，其特征在于，使用了上述结构的搅拌摩擦焊的搅拌头，是一种电磁振动原位复合电磁作用剧烈搅拌摩擦强制冷却温度控制技术制备大厚度大面积金属超细晶材料的技术，具体方法是：在搅拌头(1)上部使用一定强度和频率的电磁振动线圈(4)，与固定在摩擦焊机上的衔铁(11)相互作用，使得搅拌头(1)作高速搅拌运动和一定频率电磁振动相结合的电磁振动搅拌摩擦复合运动，电磁振动线圈(4)形成的高频电磁场又通过搅拌头(1)的强化作用，从轴肩(3)和搅拌针(2)导入到工件(15)内部，在工件(15)表面和内部形成一定强度的交变磁场，在该电磁振动原位复合电磁作用机制下，并在搅拌头(1)后部气体保护强制冷却系统的温度控制金属内部的位错运动，晶粒回复、再结晶与长大机制的共同作用下，工件(15)表面一定厚度内粗晶组织发生剧烈的塑性变形而破碎形成稳定的超细晶组织，实现大厚度大面积组织均匀的金属纳米材料的制备。

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