CN102350585A - 提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法，其特征是在搅拌摩擦连接过程中将配置的纳米粉末通过搅拌头上的喷孔送入摩擦连接区内，通过搅拌头搅拌，使得纳米粉末中的元素均匀分散到连接区内，从而获得力学性能好的连接区。本发明在很大程度上提高了铝合金搅拌摩擦连接区的力学性能和控制了连接区厚度的减少，其操作方便，适宜大批量生产，这大大降低了生产成本，提高了连接区质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦焊接技术，尤其是一种铝合金材料的摩擦焊技术，具体地说是一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法。
背景技术
目前，采用普通的搅拌头和常规搅拌方法搅拌摩擦连接铝合金板材时，往往出现飞边等现象，从而降低了连接区厚度和力学性能，其严重阻碍了搅拌摩擦连接这一先进金属在一些要求质量高的场合应用，如飞机上结构件连接、船体头部的连接等。目前有关搅拌摩擦连接的专利很多，大多集中在搅拌头设计、降低连接区残余应力和变形、消除飞边等方面，而这些专利并未涉及到连接区组织结构的改变和连接区厚度的不变，从而也就没有从根本上解决连接区的力学性能问题，而这个问题恰恰又是实际工程应用中必须解决的问题，因此，它就成了当今搅拌摩擦连接技术能否被广泛应用所面临的一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前在铝合金搅拌摩擦连接时易出现飞边而影响力学性能的问题，发明一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法。
本发明的技术方案是：
一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法，其特征是在搅拌摩擦连接过程中将配置的纳米粉末通过搅拌头上的喷孔送入摩擦连接区内，通过搅拌头搅拌，使得纳米粉末中的元素均匀分散到连接区内，从而获得力学性能好的连接区。
所述的纳米粉末主要由钴、锰、镍、铝、镁、铁粉组成，其各组份的质量百分比分别为：钴9～14%，锰5～12%，镍8～16%，铝40～50%，镁15～20%，铁8～12%，其余为杂质。
摩擦焊接过程中搅拌针的旋转速度为400～800rpm，前进速度为100～200mm·min-1，纳米粉末的挤入压力为100～300Mpa，这样才最有利于纳米粉末进入连接区内部。
本发明的有益效果：
本发明在很大程度上提高了铝合金搅拌摩擦连接区的力学性能和控制了连接区厚度的减少，其操作方便，适宜大批量生产，这大大降低了生产成本，提高了连接区质量。
附图说明
图1是与本发明方法相配的摩擦焊搅拌头的结构示意图。
图2是图1中的搅拌针的结构示意图。
图3是图1中的可拆卸式轴肩的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法，首先配置纳米粉末作为填充料，纳米粉末主要由钴、锰、镍、铝、镁、铁组成，其各组份的质量百分比分别为：钴9～14%，锰5～12%，镍8～16%，铝40～50%，镁15～20%，铁8～12%，其余为杂质，在搅拌摩擦连接过程中将配置的纳米粉末填充料4通过图1所示的搅拌头上的喷孔1-2送入摩擦连接区内，通过搅拌头搅拌，使得纳米粉末（填充料）中的元素均匀分散到连接区内，从而获得力学性能好的连接区。搅拌摩擦焊接过程中控制搅拌针的旋转速度为400～800rpm，前进速度为100～200mm·min-1，纳米粉末的挤入压力为100～300MPa，这样才最有利于纳米粉末进入连接区内部。
与本发明方法相配的搅拌头如图1-3所示，它主要由整体式搅拌针1和可拆卸式轴肩2及夹持柄3组成，如图1所示，可拆卸式轴肩2的材料可采用公知的普通钢材，整体式搅拌针1则可根据加工材料不同选择工具钢和钨铼合金等，夹持柄3中夹持柄主体3-3可选择45#钢，挤压活塞3-1可选择硬质合金钢。所述的整体式搅拌针1由柱体1-4和锥形头部1-5整体相连而成，在柱体1-4的上端设有用于装填填充料4的储料室1-1，填充料4可采用有利于提高搅拌摩擦连接区力学性能的耐磨、耐腐蚀纳米稀土金属（如钴、锰、镍、铝、镁、铁粉）；柱体1-4的中心设有与储料室1-1相通的输料孔1-2，在锥形头部1-5上设有至少2个径向喷孔1-3，径向喷孔1-3与输料孔1-2相通，如图2所示；所述的可拆卸式轴肩2套装在柱体1-4上，可拆卸式轴肩2的下端面与锥形头部1-5的上端面相抵，可拆卸式轴肩2的上端与也套装在柱体1-4上的夹持柄30的下端相抵，可拆卸式轴肩2由上轴肩2-1和下轴肩2-2组成，在上轴肩2-1和下轴肩2-2之间安装有弹簧2-3，如图3所示，弹簧2-3数量一般为4、6或8个，取偶数便于轴肩受力均匀；挤压活塞3-1的主体伸入储料室1-4中对其中的填充料4加压使之通过输料孔1-2和喷嘴进入焊接区域中，挤压活塞3-1的另一端伸出夹持柄3与施力装置3-2相连，施力装置3-2可为液压装置、气动装置或其它的机械施力装置，挤压活塞3-1与夹持柄3主体3-3相接触部分应采用密封结构，以防止填充料4沿挤压活塞3-1的轴向漏出。
此外，具体实施时，为了能及时补充填料，还可在夹持柄3上加孔出用于加料的孔，并使加料孔与储料室1-1相通，在加料孔的入口端加装密封盖。
本发明的可拆卸式轴肩2与整体式搅拌针1均为独立部件，使用时，应将可拆卸式轴肩2套在整体式搅拌针1上。而可拆卸轴肩2上弹簧2-3可以帮助控制连接区金属的致密性，当连接区金属松疏，弹簧向下挤压。当连接区金属致密，弹簧向上挤压，这保证了连接区金属致密性基本一致，从而保证了连接区力学性能的一致性、均匀性。
选用10mm厚度的7022铝合金，分别用普通搅拌头和本发明的方法及相配的搅拌头进行搅拌摩擦连接，连接参数分别为：搅拌针转速为500rpm，搅拌针前进速度为100 mm·min-1、本发明设计搅拌头采用的送粉压力为250MPa。通过连接，普通的搅拌头连接的铝合金连接区力学性能仅为母材的85%左右，而用本发明设计的搅拌头连接的连接区力学性能为母材的95%以上；普通的搅拌头连接铝合金获得的连接区厚度为9.1～9.3mm，而用本发明设计的搅拌头连接的连接区厚度与母材厚度几乎不变。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种提高铝合金搅拌摩擦连接区力学性能的方法，其特征是在搅拌摩擦连接过程中将配置的纳米粉末通过搅拌头上的喷孔送入摩擦连接区内，通过搅拌头搅拌，使得纳米粉末中的元素均匀分散到连接区内，从而获得力学性能好的连接区。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米粉末主要由钴、锰、镍、铝、镁、铁粉组成，其各组份的质量百分比分别为：钴9～14%，锰5～12%，镍8～16%，铝40～50%，镁15～20%，铁8～12%，其余为杂质。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是摩擦焊接过程中搅拌针的旋转速度为400～800rpm，前进速度为100～200mm·min-1，纳米粉末的挤入压力为100～300MPa。
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