CN102632334A - 中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法，它涉及一种搅拌摩擦焊的摩擦头及焊接方法，以解决金属基复合材料的制备需将增强相预置在待加工件中，导致加工过程中，发生颗粒飞溅及推移，使得增强相分布不均的问题。焊具：上圆柱体和下圆柱体上下设置且制成一体，下圆柱体的下端面为凹形轴肩面，上圆柱体和下圆柱体沿轴线设有上孔道、中孔道和下孔道，数个扇叶位于下孔道中，且数个扇叶均布安装在转轴上，转轴的输入端与遥控微型电动机的输出轴连接。方法：一、确定摩擦头的几何尺寸；二、添加增强相颗粒；三、调整摩擦头的倾斜角；四、对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，实现一道表面复合材料的制备。本发明用于金属材料表面复合材料制备。

Description

中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊的摩擦头及焊接方法，尤其是一种利用搅拌摩擦加工制备金属材料表面复合材料的方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，对于结构材料的性能提出了更高的要求。其中一项重要需求是使材料在满足高塑、韧性的前提下，具有高硬度、高耐磨度等特点。这对于组分均一的材料来说是难以实现的，硬度、耐磨度的提高就会不可避免地使材料的塑韧性下降。因此有研究者提出，可以在具有高塑、韧性的金属材料表面进行增强相为硬质陶瓷颗粒的表面复合材料，这样就能够在保持基体高塑、韧性的前提下，得到表面硬度高、耐磨度高的材料。但目前金属基表面复合材料的制备方法大都工艺复杂，成本高昂。

搅拌摩擦加工(FSP)技术作为一种新的材料微观结构改性技术，已被成功应用到金属基复合材料的制备上。所谓搅拌摩擦加工(FSP)，即是将高速旋转的加工头压入材料表面毫米级深度，并沿材料表面方向行进，造成材料表面发生剧烈的塑性变形、混合和温升，从而实现表面材料的密化、细化和均匀化。

将FSP应用到金属基复合材料的制备上，其主要制备方法是将增强相颗粒预置在金属板材中，再进行搅拌摩擦加工。实验表明，颗粒的预置方式对于其在基体中的分布均匀性有极大影响。目前报导的预置方式有以下几种：(1)、将增强相颗粒直接铺在板材表面，这种方法简单、高效，但颗粒极易飞溅。(2)、在板材表面开一道具有一定宽度、深度的凹槽，再在其中添加增强相颗粒并压实，最后沿其长度方向进行搅拌摩擦加工。这种方法的主要问题在于随着搅拌针沿凹槽前进，凹槽内预置的增强相颗粒容易从槽内溢出。为了解决该问题，可在凹槽上加一层金属盖板，或者使用无搅拌针的加工头在凹槽上进行表面预处理，将增强颗粒封在凹槽中，防止后续加工时颗粒溢出。(3)、在紧贴金属板的下方，钻一平行于表面的深孔，在孔内装入增强相颗粒，并沿孔的深度方向进行搅拌摩擦加工。(4)、在材料表面开一系列点阵规律排布的盲孔，并将增强相预置在孔中，最后进行搅拌摩擦加工。

上述四种预置方式中，(1)的增强相分布均匀性较差，(2)、(3)的增强相分布均匀性有所改善，但仍不理想，(4)的增强相分布均匀性显著提高。分析可知：(1)的增强相分布均匀性差不难理解，在加工过程中大量颗粒会发生飞溅，不能很好地被加工头搅入基体内。(2)、(3)方式进行增强相预置时，即使不发生增强相颗粒的飞溅，搅拌针在将增强颗粒搅入基体的同时，也会将前方预置的颗粒向前推进、堆积，进而造成基体中增强相颗粒分布不均。以(4)方式进行颗粒预置，颗粒被离散地固定在各盲孔中，加工时就不会发生增强颗粒的推移，因此其增强相分布最为均匀。但由于(2)、(3)、(4)三种预置方法的工作量都很大，不适合实际生产应用中推广。

发明内容

本发明的目的是为解决FSP应用到金属基复合材料的制备上，需将增强相预置在待加工件中，导致待加工件在加工过程中，发生颗粒的飞溅及推移，使得增强相分布不均的问题，提供一种中空送料摩擦头及金属材料表面复合材料的制备方法。

本发明的摩擦头包括搅拌摩擦体和辅助送料装置，搅拌摩擦体由上圆柱体和下圆柱体组成，所述上圆柱体和下圆柱体上下设置且制成一体，所述上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体的外表面上设有夹持面，所述下圆柱体的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，所述上圆柱体和下圆柱体沿轴线设有孔道，所述孔道由上至下分为三段，分别为上孔道、中孔道和下孔道，上孔道的内径与下孔道的内径相同，中孔道的内径小于上孔道的内径，所述下圆柱体上沿径向设有一横向通孔，横向通孔与下孔道相通，所述横向通孔的两端分别设有与横向通孔同轴且相通的轴承凹槽，增强相添加装置由遥控微型电动机、转轴、两个转动轴承和数个扇叶组成，所述转轴设置在横向通孔中，转轴的两端分别设置在两个转动轴承中，每个轴承凹槽装有一个转动轴承，数个扇叶位于下孔道中，且数个扇叶均布安装在转轴上，转轴的输入端与遥控微型电动机的输出轴连接，遥控微型电动机固装在下圆柱体的外表面上。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定摩擦头的几何尺寸：根据待处理工件一次表面复合材料化的宽度确定摩擦头轴肩的直径D，摩擦头轴肩的直径D与一次表面复合材料化的宽度相等，确定下孔道3-3的内径为0.5D～0.25D，凹形轴肩面的外边缘比凹形轴肩面的中心高0.1mm～1mm；

步骤二、添加增强相颗粒：向上孔道加入增强相颗粒，将上孔道填满；

步骤三、调整摩擦头的倾斜角：调整摩擦头的倾斜角即摩擦头的中心轴线与待处理工件法线的夹角，调整该夹角为0°～1°；

步骤四、待处理工件表面复合材料层的制备过程：对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，具体过程为：

(1)、将摩擦头移至待加工件表面，摩擦头以100转/分钟～1500转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面的压入深度为0.1mm～1mm，压入后停留1秒～10秒；

(2)、启动遥控微型电动机，且遥控微型电动机的转速为10转/分钟～100转/分钟，增强相颗粒随着转动的扇叶沿中孔道、下孔道流进作用界面，同时控制摩擦头沿加工方向开始行进，此时增强相颗粒被高速旋转的摩擦头碾压进入待加工件表面的基体中，摩擦头的旋转速度为100转/分钟～1500转/分钟，摩擦头的行进速度为5毫米/分钟～200毫米/分钟；

(3)、压碾结束的同时，停止遥控微型电动机旋转，中孔道被静止的扇叶堵塞，增强相颗粒停止加入，停止摩擦头行进，并将摩擦头上升离开加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面复合材料的制备。

本发明具有以下优点：一、本发明的材料表面复合材料制备过程中，增强相不需预置在待加工件中，而是沿摩擦头中的中空送料孔道3直接进入摩擦头与待加工件的作用界面，增强相颗粒被直接搅压入基体中，因此不会发生颗粒的飞溅以及推移，保证了增强相分布的均匀性。二、辅助送料装置能够控制增强相颗粒的添加与停止。三、本发明的金属材料表面复合材料制备过程不需要在待加工件表面进行开槽或开孔，简化了工艺程序，因此，本发明在实际生产中将有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明中空送料摩擦头的整体结构主剖视图；图2是转轴5和数个扇叶7的截面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的摩擦头包括搅拌摩擦体和辅助送料装置，搅拌摩擦体由上圆柱体1和下圆柱体2组成，所述上圆柱体1和下圆柱体2上下设置且制成一体，上圆柱体1的直径小于下圆柱体2的直径，上圆柱体1的外表面上设有夹持面1-1，所述下圆柱体2的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面2-1，上圆柱体1和下圆柱体2沿轴线设有孔道3，所述孔道3由上至下分为三段，分别为上孔道3-1、中孔道3-2和下孔道3-3，孔道3用于增强相颗粒的储存，同时也是增强相进入加工界面的通道，装卡摩擦头前，从摩擦头上端向孔道3内加入一定量的增强相颗粒，上孔道3-1的内径与下孔道3-3的内径相同，中孔道3-2的内径小于上孔道3-1的内径，凹形轴肩面2-1有效防止了塑性金属材料的流出，所述下圆柱体2上沿径向设有一横向通孔2-2，横向通孔2-2与下孔道3-3相通，所述横向通孔2-2的两端分别设有与横向通孔2-2同轴且相通的轴承凹槽2-3，增强相添加装置由遥控微型电动机4、转轴5、两个转动轴承6和数个扇叶7组成，所述转轴5设置在横向通孔2-2中，转轴5的两端分别设置在两个转动轴承6中，每个轴承凹槽2-3装有一个转动轴承6，数个扇叶7位于下孔道3-3中，且数个扇叶7均布安装在转轴5上，转轴5的输入端与遥控微型电动机4的输出轴连接，遥控微型电动机4固装在下圆柱体2的外表面上。转轴5与横向通孔2-2配合，转动轴承6与轴承凹槽2-3配合。中孔道3-2的内径小于上孔道3-1和下孔道3-3的内径，这样设计是便于扇叶7控制增强相颗粒流动。辅助送料装置相当于添加增强相颗粒的开关，启动遥控微型电机4，通过转轴5带动扇叶7的转或停，从而实现了增强相颗粒的添加与停止添加。对增强相颗粒的添加速度通过遥控微型电动机4控制。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的每个扇叶7的形状为半圆形，每个扇叶7的半径小于下孔道3-3的半径。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二不同的是它还增加有隔热垫片8，隔热垫片8设置在下圆柱体2与遥控微型电动机4之间。隔热垫片8将下圆柱体2与遥控微型电动机4与隔离，防止遥控微型电动机4过热。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定摩擦头的几何尺寸：根据待处理工件一次表面复合材料化的宽度确定摩擦头轴肩的直径D，摩擦头轴肩的直径D与一次表面复合材料化的宽度相等，确定下孔道3-3的内径为0.5D～0.25D，凹形轴肩面2-1的外边缘比凹形轴肩面2-1的中心高0.1mm～1mm；一次表面复合材料化的宽度通常在10mm～32mm，即摩擦头轴肩的直径D为10mm～32mm，当D＝10mm时，下孔道3-3的内径为0.5D(即5mm)，当D＝20mm时，下孔道3-3的内径为0.35D(即7mm)，当D＝32mm时，下孔道3-3的内径为0.25D(即8mm)；

步骤二、添加增强相颗粒：向上孔道3-1加入增强相颗粒，将上孔道3-1填满；此量为增加一次表面复合材料化的长度，可在上孔道3-1上方设置增强相颗粒储存装置，持续的往上孔道3-1内添加增强相颗粒；

步骤三、调整摩擦头的倾斜角：调整摩擦头的倾斜角即摩擦头的中心轴线N-N与待处理工件法线的夹角，调整该夹角为0°～1°；

步骤四、待处理工件表面复合材料层的制备过程：对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，具体过程为：

(1)、将摩擦头移至待加工件表面，摩擦头以100转/分钟～1500转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面2-1的压入深度为0.1mm～1mm，压入后停留1秒～10秒，使摩擦头附近的待加工件表面温度升高，塑性增强；

(2)、启动遥控微型电动机4，且遥控微型电动机4的转速为10转/分钟～100转/分钟，增强相颗粒随着转动的扇叶7沿中孔道3-2、下孔道3-3流进作用界面，同时控制摩擦头沿加工方向开始行进，此时增强相颗粒被高速旋转的摩擦头碾压进入待加工件表面的基体中，摩擦头的旋转速度为100转/分钟～1500转/分钟，摩擦头的行进速度为5毫米/分钟～200毫米/分钟；

(3)、压碾结束的同时，停止遥控微型电动机4旋转，中孔道3-2被静止的扇叶7堵塞，增强相颗粒停止加入，停止摩擦头行进，并将摩擦头上升离开加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面复合材料的制备。

经上述方法得到的金属复合材料进行微观结构观察，得到的增强相分布十分弥散、均匀，同时该试样复合区晶粒也十分细密，表面复合材料化的综合性能明显高于母材。

具体实施方式五：本实施方式为步骤三中摩擦头的倾斜角为0.5°；其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式为步骤四中摩擦头以500转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面2-1的压入深度为0.5mm，压入后停留5秒。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式为步骤四中摩擦头以800转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面2-1的压入深度为0.6mm，压入后停留6秒。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：本实施方式为步骤四中摩擦头以1000转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面2-1的压入深度为0.8mm，压入后停留4秒。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式九：本实施方式为步骤四中遥控微型电动机4的转速为50转/分钟，摩擦头的旋转速度为500转/分钟，摩擦头的行进速度为50毫米/分钟。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式十：本实施方式为步骤四中遥控微型电动机4的转速为70转/分钟，摩擦头的旋转速度为800转/分钟，摩擦头的行进速度为100毫米/分钟。其它步骤与具体实施方式四相同。

Claims (10)

1.一种中空送料摩擦头，所述摩擦头包括搅拌摩擦体和辅助送料装置，搅拌摩擦体由上圆柱体(1)和下圆柱体(2)组成，所述上圆柱体(1)和下圆柱体(2)上下设置且制成一体，所述上圆柱体(1)的直径小于下圆柱体(2)的直径，上圆柱体(1)的外表面上设有夹持面(1-1)，所述下圆柱体(2)的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面(2-1)，其特征在于：所述上圆柱体(1)和下圆柱体(2)沿轴线设有孔道(3)，所述孔道(3)由上至下分为三段，分别为上孔道(3-1)、中孔道(3-2)和下孔道(3-3)，上孔道(3-1)的内径与下孔道(3-3)的内径相同，中孔道(3-2)的内径小于上孔道(3-1)的内径，所述下圆柱体(2)上沿径向设有一横向通孔(2-2)，横向通孔(2-2)与下孔道(3-3)相通，所述横向通孔(2-2)的两端分别设有与横向通孔(2-2)同轴且相通的轴承凹槽(2-3)，增强相添加装置由遥控微型电动机(4)、转轴(5)、两个转动轴承(6)和数个扇叶(7)组成，所述转轴(5)设置在横向通孔(2-2)中，转轴(5)的两端分别设置在两个转动轴承(6)中，每个轴承凹槽(2-3)装有一个转动轴承(6)，数个扇叶(7)位于下孔道(3-3)中，且数个扇叶(7)均布安装在转轴(5)上，转轴(5)的输入端与遥控微型电动机(4)的输出轴连接，遥控微型电动机(4)固装在下圆柱体(2)的外表面上。

2.根据权利要求1所述中空送料摩擦头，其特征在于：每个扇叶(7)的形状为半圆形，每个扇叶(7)的半径小于下孔道(3-3)的半径。

3.根据权利要求1或2所述中空送料摩擦头，其特征在于：所述摩擦头还包括隔热垫片(8)，隔热垫片(8)设置在下圆柱体(2)与遥控微型电动机(4)之间。

4.一种利用权利要求1所述中空送料摩擦头实现金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定摩擦头的几何尺寸：根据待处理工件一次表面复合材料化的宽度确定摩擦头轴肩的直径D，摩擦头轴肩的直径D与一次表面复合材料化的宽度相等，确定下孔道(3-3)的内径为0.5D～0.25D，凹形轴肩面(2-1)的外边缘比凹形轴肩面(2-1)的中心高0.1mm～1mm；

步骤二、添加增强相颗粒：向上孔道(3-1)加入增强相颗粒，将上孔道(3-1)填满；

步骤三、调整摩擦头的倾斜角：调整摩擦头的倾斜角即摩擦头的中心轴线(N-N)与待处理工件法线的夹角，调整该夹角为0°～1°；

步骤四、待处理工件表面复合材料层的制备过程：对待处理工件表面进行搅拌摩擦加工，具体过程为：

(1)、将摩擦头移至待加工件表面，摩擦头以100转/分钟～1500转/分钟的转速压入待 处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.1mm～1mm，压入后停留1秒～10秒；

(2)、启动遥控微型电动机(4)，且遥控微型电动机(4)的转速为10转/分钟～100转/分钟，增强相颗粒随着转动的扇叶(7)沿中孔道(3-2)、下孔道(3-3)流进作用界面，同时控制摩擦头沿加工方向开始行进，此时增强相颗粒被高速旋转的摩擦头碾压进入待加工件表面的基体中，摩擦头的旋转速度为100转/分钟～1500转/分钟，摩擦头的行进速度为5毫米/分钟～200毫米/分钟；

(3)、压碾结束的同时，停止遥控微型电动机(4)旋转，中孔道(3-2)被静止的扇叶(7)堵塞，增强相颗粒停止加入，停止摩擦头行进，并将摩擦头上升离开加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面复合材料的制备。

5.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中摩擦头的倾斜角为0.5°。

6.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以500转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.5mm，压入后停留5秒。

7.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以800转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.6mm，压入后停留6秒。

8.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中摩擦头以1000转/分钟的转速压入待处理工件表面中，凹形轴肩面(2-1)的压入深度为0.8mm，压入后停留4秒。

9.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中遥控微型电动机(4)的转速为50转/分钟，摩擦头的旋转速度为500转/分钟，摩擦头的行进速度为50毫米/分钟。

10.根据权利要求4所述金属材料表面复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四中遥控微型电动机(4)的转速为70转/分钟，摩擦头的旋转速度为800转/分钟，摩擦头的行进速度为100毫米/分钟。 

Images