CN103121145B - 一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法 - Google Patents

一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法 Download PDF

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一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，首先将待加工板材水平放置在垫板上并固定好,然后搅拌工具以1000～7000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，直到不旋转轴肩的端面与板材上表面接触后。超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待加工区域，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果。当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3～8分钟，进行材料预热，然后搅拌工具以50～500mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止。

Description

一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法
技术领域：本发明涉及一种搅拌摩擦加工的工艺方法，尤其涉及一种板材背面无支撑且基于超声声空化效应的半固态搅拌摩擦加工工艺方法。
背景技术：搅拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）是英国焊接研究所于1991年提出的一种新型固相焊技术，具有优质、节能、无污染等优点，在航空、航天、汽车、船舶等领域有着众多的应用对象。基于搅拌摩擦焊的思想，美国的Mishra博士提出了搅拌摩擦加工（Friction stir processing,FSP），即利用搅拌头所造成加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化。目前，这种加工工艺方法在铝合金或镁合金等的细晶超塑性材料制备方面取得了大量的成果。但从目前的研究现状来看，除了少部分低熔点合金（如AZ31）可实现材料显微结构的纳米化之外，铝合金与镁合金实现纳米化较困难。因此，许多研究者开始提出一些基于搅拌摩擦加工的工艺方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通过这些方法可尽一步细化晶粒尺寸，进而达到改善材料性能的目的。
发明内容：本发明为了制备铝合金、镁合金等低熔点合金的超细晶/纳米晶板材，提出板材背面无支撑技术与超声声空化效应相结合的半固态搅拌摩擦加工工艺方法。该方法的搅拌加工工具由不旋转轴肩与高速旋转的搅拌针组成。在加工过程，可振动的搅拌针发出超声波并对处于半固态下的金属材料产生声空化效应，起到细化晶粒的目的；与常规搅拌摩擦加工不同，在加工过程中待加工板材的背面无需垫板等结构来支撑，可进一步加强超声波的振动作用并细化晶粒。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，具体采用以下步骤：
步骤一、将待加工板材水平放置在垫板上并固定好,其中垫板结构由垫板与多个等尺寸的垫块组成,在加工过程中，利用垫块相对位置的变化实现搅拌针正下方悬空；
步骤二、搅拌工具以1000～7000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，可根据待加工板材加工过程中温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使板材达到半固态；搅拌工具的扎入速度为1～5mm/分，直到不旋转轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm；轴肩不旋转，且轴肩直径为3～5倍的板材厚度；
步骤三、超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待加工区域，超声波的参数如下:频率为40～80K以及振幅为20～60μm，可根据待加工板材的具体情况来选择超声波的频率，使加工及其附近区域的晶粒得到充分细化，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；
步骤四、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3～8分钟，进行材料预热，可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使板材的待加工区域得到充分的预热，使板材更容易达到半固态；然后搅拌工具以50～500mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止；可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使板材达到半固态。
所述的搅拌工具包括搅拌针、超声换能器、不旋转轴肩及超声变幅杆。超声换能器固定在超声变幅杆上。超声变幅杆固定在搅拌针上。搅拌针由连接在一起的主搅拌针和辅助搅拌针组成。不旋转轴肩套装在主搅拌针上。主搅拌针为锥形体且表面由锯齿状结构组成,最大根部直径为1.2～1.5倍板材厚度且锥角小于5°；辅助搅拌针为锥形体，最大直径为主搅拌针直径的1.3～2倍，辅助搅拌针上表面两母线的最大夹角为140°～160°，辅助搅拌针下表面两母线的最大夹角为90°～120°；主搅拌针最大直径处（根部）到辅助搅拌针的最小距离比板厚大于0.2～0.5mm，且主搅拌针最大直径处（根部）到辅助搅拌针的最大距离与最小距离之差比垫块厚度小2～6mm；垫块的宽度是主搅拌针最大直径的1～4倍；在加工过程中，板材悬空区域的宽度与辅助搅拌针最大直径的差比主搅拌针的最大直径大4～20mm。
本发明的有益效果：
一、在加工过程中，被加工材料达到半固态，是一种半固态搅拌摩擦加工方法，与常规搅拌摩擦加工方法不同。为使材料达到半固态，搅拌针需高速旋转，使具有更小粘度的半固态材料经历更大的应变以及应变速率，以利于晶粒细化。
二、在加工过程中，搅拌针高速旋转产生热量，不旋转搅拌针面向出现液化成份的材料表面施加超声波振动，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒。
三、搅拌针由主搅拌针与辅助搅拌针两部分组成，主搅拌针主要位于板材内部，辅助搅拌针位于板材之外。在加工过程中，搅拌针扎穿板材，可实现板材沿厚度方向的晶粒细化，使铝合金、镁合金等低熔点金属板材的整体超细晶/纳米晶化成为可能。
四、在加工过程中轴肩不旋转，因此不会产生弧纹等结构，不仅使加工后的材料后处理工作简单，还会减少材料的浪费。
五、在加工过程中，基于背部无支撑技术使待加工金属材料区域下方悬空，可进一步提高超声波的振动作用，细化晶粒。
附图说明
图1是搅拌工具的结构示意图。
图2为搅拌针处的局部放大图。
图3是本发明的工作过程示意图。
图4是搅拌摩擦加工过程搅拌针与板材的位置关系示意图。
图中:1.超声换能器，2.超声变幅杆，3.不旋转轴肩，4.主搅拌针，5.辅助搅拌针，6.搅拌针，7.搅拌工具，8.板材,9.垫板，10.垫块。
具体实施方式
实施例一
如图1-图4所示：所述的搅拌工具7包括搅拌针6、超声换能器1、不旋转轴肩3及超声变幅杆2。超声换能器1固定在超声变幅杆2上。超声变幅杆2固定在搅拌针6上。搅拌针6包括连接在一起的主搅拌针4和辅助搅拌针5。不旋转轴肩3套装在主搅拌针4上。主搅拌针4为锥形体且表面由锯齿状结构组成,最大根部直径d2为1.3倍板材厚度T且锥角小于5°；辅助搅拌5针为锥形体，最大直径d3为主搅拌针直径d2的1.6倍，辅助搅拌针5上表面两母线的最大夹角β为150°，辅助搅拌针5下表面两母线的最大夹角α为100°；主搅拌针最大根部直径d2处到辅助搅拌针5的最小距离H1比板厚T大于0.3mm，且主搅拌针最大根部直径d2处到辅助搅拌针的最大距离H2与最小距离之差H1比垫块厚度H3小4mm;垫块的宽度W2是主搅拌针最大直径d2的3倍；在加工过程中，板材8悬空区域的宽度W1与辅助搅拌针最大直径d3的差比主搅拌针的最大直径d2大12mm。
本实施例所述的一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、为了板材8整体的超细晶/纳米化，必须满足如下条件：搅拌针6扎穿板材8。因此，为避免因搅拌针6与垫板之间的接触而造成的搅拌针6的损坏，搅拌针6正下方区域应悬空，即背面无支撑技术。将待加工板材8水平放置在设计的垫板结构9、10上并固定好；其中垫板结构由垫板9与多个等尺寸的垫块10组成；在加工过程中，利用垫块10相对位置的变化实现搅拌针6正下方悬空；
步骤二、搅拌针6以5000转/分的转速扎入板材8表面且穿透板材8，扎入速度为3mm/分，直到不旋转轴肩3的端面与板材8上表面接触后，沿垂直板材8表面的方向继续下压0.2mm；固定轴肩3不旋转，且轴肩直径d1为4倍的工件厚度T；
步骤三、超声换能器1的超声波通过与超声变幅杆2相联的搅拌针6直接传递到待加工区域，超声波的参数如下:频率为60K以及振幅为45μm，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；
步骤四、当搅拌工具针达到设定的下扎深度时，搅拌针6停止下扎且继续旋转6分钟，进行材料预热，然后搅拌工具7以200mm/分的速度沿着板材8纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材8表面加工完毕为止。
如图3所示：不旋转轴肩3的端面与待加工板材8的上表面紧密贴合后下压0.1～0.3mm；板材8背面的垫板结构由垫板9与多个等尺寸的垫块10组成，其中垫块数量根据实际情况调整。
实施例二：本实施例在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为7000转/分。其它步骤与具体实施方式一相同。
实施例三：本实施例在步骤三中，所述的超声波频率为50K。其它步骤与具体实施方式二相同。
实施例四：本实施例在步骤四中，所述的搅拌工具以50mm/min的速度沿着水平方向移动。其它步骤与具体实施方式一相同。
实施例五：本实施例在步骤四中，所述的当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转8分钟。其它步骤与具体实施方案四相同。

Claims (5)

1.一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，具体采用以下步骤：
步骤一、将待加工板材水平放置在垫板上并固定好,其中垫板结构由垫板与多个等尺寸的垫块组成,在加工过程中，利用垫块相对位置的变化实现搅拌针正下方悬空；
步骤二、搅拌工具以5000～7000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度为1～5mm/分，直到不旋转轴肩的端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1～0.3mm；轴肩不旋转，且轴肩直径为3～5倍的板材厚度；
步骤三、超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相联的搅拌针直接传递到待加工区域，超声波的参数如下:频率为60～80K以及振幅为20～60μm；
步骤四、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转6～8分钟，进行材料预热，然后搅拌工具以50mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止；
所述的搅拌工具包括搅拌针、超声换能器、不旋转轴肩及超声变幅杆；超声换能器固定在超声变幅杆上，超声变幅杆固定在搅拌针上，搅拌针由连接在一起的主搅拌针和辅助搅拌针组成，不旋转轴肩套装在主搅拌针上；所述的主搅拌针为锥形体且表面由锯齿状结构组成, 最大根部直径为1.2～1.5倍板材厚度且锥角小于5°。
2.如权利要求1所述的一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，其特征在于：辅助搅拌针为锥形体，最大直径为主搅拌针直径的1.3～2倍，辅助搅拌针上表面两母线的最大夹角为140°～160°，辅助搅拌针下表面两母线的最大夹角为90°～120°。
3.如权利要求1所述的一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，其特征在于：主搅拌针最大直径处到辅助搅拌针的最小距离比板厚大于0.2～0.5mm，且主搅拌针最大直径处到辅助搅拌针的最大距离与最小距离之差比垫块厚度小2～6mm。
4.如权利要求1所述的一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，其特征在于：垫块的宽度是主搅拌针最大直径的1～4倍。
5.如权利要求1所述的一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，其特征在于：在加工过程中，板材悬空区域的宽度与辅助搅拌针最大直径的差比主搅拌针的最大直径大4～20mm。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140261900A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Lockheed Martin Corporation Friction surface stir process
CN104722914A (zh) * 2015-04-08 2015-06-24 山东科技大学 一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法
CN106929786B (zh) * 2017-03-14 2018-06-22 四川大学 一种大厚度纳米晶-超细晶-粗晶表面梯度层的制备方法
CN107119243B (zh) * 2017-05-19 2018-10-19 沈阳航空航天大学 基于超声辅助搅拌摩擦加工实现结构内壁纳米化的方法
CN107414325B (zh) * 2017-07-12 2020-01-03 北京工业大学 微区半固态增材制造方法
CN108188565B (zh) * 2018-01-02 2020-09-08 沈阳航空航天大学 一种制备组织可控的梯度纳米结构的装置和方法
CN108637467B (zh) * 2018-05-21 2019-11-12 山东大学 一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法
CN110129792B (zh) * 2019-05-30 2021-01-19 西安交通大学 全液态搅拌与半固态搅拌涂覆法制备复合管/涂层的方法及装置
CN110640295B (zh) * 2019-09-26 2021-01-26 沈阳航空航天大学 一种螺纹孔的搅拌摩擦焊修复用搅拌头及方法
CN110653507B (zh) * 2019-09-26 2021-07-20 沈阳航空航天大学 一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1836820A (zh) * 2006-01-26 2006-09-27 中南大学 超声搅拌焊接方法及其装置
TW200948520A (en) * 2008-05-16 2009-12-01 Univ Nat Formosa Combined device of ultrasonic welding and spin welding
CN102581474A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102581471A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102581473A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102601514A (zh) * 2012-03-22 2012-07-25 哈尔滨工业大学 轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法
CN102744516A (zh) * 2012-07-13 2012-10-24 山东大学 超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008110371A (ja) * 2006-10-30 2008-05-15 Nippon Steel Corp 摩擦攪拌接合方法及び装置
KR20120073952A (ko) * 2010-12-27 2012-07-05 재단법인 포항산업과학연구원 포터블 초음파 마찰표면개질 장치
KR20120073974A (ko) * 2010-12-27 2012-07-05 재단법인 포항산업과학연구원 마찰 교반 용접 장치

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1836820A (zh) * 2006-01-26 2006-09-27 中南大学 超声搅拌焊接方法及其装置
TW200948520A (en) * 2008-05-16 2009-12-01 Univ Nat Formosa Combined device of ultrasonic welding and spin welding
CN102581474A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102581471A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102581473A (zh) * 2012-03-08 2012-07-18 沈阳航空航天大学 一种适用于颗粒增强铝基复合材料连接的超声辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
CN102601514A (zh) * 2012-03-22 2012-07-25 哈尔滨工业大学 轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法
CN102744516A (zh) * 2012-07-13 2012-10-24 山东大学 超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置

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