CN103805929B - 一种工件涂层的表面处理方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工件涂层的表面处理方法和装置，其特征在于：采用顶部为平面或弧形面的旋压摩擦头对工件的基体材料表面涂层做旋压摩擦加工，旋压摩擦加工的同时对工件或旋压摩擦头施加超声振动。装置主要包括夹持并使处理电极旋转的工作台、集成超声波发生器的旋压摩擦装置、超声波电源。本发明装置集旋压摩擦处理与超声波改性为一体，在超声波和旋压摩擦共同作用下，改善电火花沉积工艺所固有的涂层缺陷（孔洞、涂层不连续，涂层疏松等），并保持涂层材质的纯净不变，进而保持其物理和机械性能不变。本发明具有改善涂层性能，操作简单、成本低、适用性强等优点。

Description

一种工件涂层的表面处理方法和装置
技术领域
本发明涉及一种工件涂层的旋压摩擦处理方法，它适用于改善材料涂层，提别是涂层电极的涂层与基体的结合强度、提高涂层的致密性，进一步提高涂层电极寿命的要求。
背景技术
随着汽车行业的发展，普通钢板已不能满足汽车耐腐蚀、轻量化发展的需要。为了满足未来汽车行业发展需求，各种镀层钢板，特别是镀锌钢板在汽车上应用愈来愈广泛。同时为了节能减排，汽车轻量化也逐渐成为汽车生产行业考虑的主要问题之一。介于汽车轻量化发展需要，铝合金板逐渐显现其在汽车轻量化发展中的优势。虽然，生产汽车的材料具有可选择性，但是其生产工艺可供工选择的方法并不多，主要方法仍以焊接为主，且电阻点焊占据了相当多工位的生产(特别是车身基本以电阻点焊为主)。在镀层钢板或铝合金板点焊过程中，都暴露出点焊电极寿命过低的问题，这变相增加了生产消耗，使得生产成本也相应提高。针对这一问题，研究人员进行了深入探讨，已取得了一些卓有成效的研究成果并应用于实际生产。最具代表性的是，通过电火花沉积工艺，在点焊电极表面沉积一层保护材料(金属或是金属陶瓷)，以此降低点焊电极合金化以及塑性变形等因素所导致其寿命较短问题。
电火花沉积技术(electrosparkdeposition)是利用短脉宽、高频率的脉冲电源把电极材料焊接到金属集体上的一种脉冲电弧微焊接技术。电火花沉积技术(ESD)的主要优点是能够用低的热输入使电极材料与基体合金化结合。由于电火花放电时的热冲击作用，必然伴随一些该工艺所固有的缺陷，图5是点焊电极电火花沉积后具有代表性的涂层缺陷(疏松、裂纹以及涂层不均匀)
ChenZheng等人在点焊电极电火花表面沉积TiC涂层时也发现了此类问题，为了修复这些缺陷，ChenZheng等人采用激光重熔对点焊电极表面的TiC涂层进行后处理，虽然涂层的缺陷得以改善，但电极的寿命并没有得到提高，主要原因是激光温度太高导致了电极基体退火而软化。这从一个方面说明，对电极表面涂层的后处理温度不能高于电极基体(铜合金)的退火温度，否则将会导致电极基体软化。
搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute)于1991年发明的专利焊接技术，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(weldingpin)即搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化.同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在搅拌摩擦焊接工艺过程中，为了达到晶粒细化之目的，国内外研究者针对不同加工工艺做了一些研究，其中以超声波作为辅助条件细化晶粒的报道较多，涉及的领域也较广，包括铸造、焊接，以及表面处理。具有代表性的是，KwanghyunPark首次研究了超声波辅助搅拌摩擦点焊的设备和工艺，和搅拌摩擦焊工艺相比，超声波辅助搅拌摩擦焊能得到性能更好的焊接接头。
搅拌摩擦处理技术是借鉴搅拌摩擦焊接工艺的一种新兴复合材料制备方法和表面改性手段，由于搅拌摩擦处理特有的热-机械特点，目前已经应用于表面材料制备及处理当中。周小平等人通过搅拌摩擦处理(中国发明专利CN201010570898.8铝合金表面反应喷涂及搅拌摩擦焊接的Al2O3+TiB2+Al复合涂层及其制备方法)，对热喷涂获得的Al2O3-TiB2复相涂层进行了后处理，结果发现涂层经搅拌摩擦处理后，其致密度、显微硬度都有所改善。
相似的，中国发明专利“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(CN201310050662.5)”，“一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法(CN201310049003.X)”，“一种实现材料表面超细晶/纳米化的超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法(CN201310049927.X)”，这三个专利都采用了超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺，但依然采用了搅拌针进行表面处理，使得此三种专利对表面涂层无法进行表面处理。
由于搅拌摩擦处理要用搅拌针将涂层从基体上翻起，被同时翻起的部分基体材质会混入涂层材质内，从而导致涂层的物理或机械性能变坏，此外搅拌摩擦处理的加工难度和耗能也都过大。
发明内容
本发明针对电火花涂层电极所特有的涂层缺陷，提供一种工件涂层的表面处理方法和装置，克服现有激光重熔消除点焊电极涂层缺陷方法的电极寿命短问题，和搅拌摩擦处理涂层缺陷时，涂层物理或机械性能变异以及加工难度和耗能大的问题，具有成本低、操作简单、适用性强等优点。
本发明技术方案是：一种工件涂层的表面处理方法，其特征在于：采用顶部为平面或弧形面旋压摩擦头对工件的基体材料表面涂层做旋压摩擦加工，旋压摩擦加工的同时对工件或旋压摩擦头施加超声振动。此处的旋压摩擦头顶部为平面或弧形面是指外形没有凸起的搅拌针，表面是平展的。
采用旋压摩擦加工不会将涂层从工件的基体材料上翻起，更不会翻动基体材料，可以保持涂层的成分不发生变化，再配以超声振动，两者相结合保证了涂层与基体材料的高强度结合，涂层缺陷(疏松、裂纹以及涂层不均匀)也被消除，而且涂层的物理和机械性能得以提高，该方法比搅拌摩擦处理成本低、操作简单、适用性强。
当工件与旋压摩擦头做相向运动，就可以在工件涂层表面做连续的加工处理，从而在不改变涂层成分的前提下改善整个涂层面的缺陷提高涂层的性能。
一种工件涂层的表面处理装置，其特征在于：包括夹持被处理工件的工作台、集成超声波发生器的旋压摩擦装置、超声波电源，所述的旋压摩擦装置由旋压摩擦器和超声振动器组成，超声波电源与超声振动器电连接，旋压摩擦器的摩擦头顶部是平面或弧形面。此处的平面或弧形面是指外形没有凸起的搅拌针，表面是平展的。
工件涂层的表面处理装置的主要构件：夹持并使处理电极旋转的工作台包括：支架、工作台电机、传动带、第一皮带轮、工作台轴承、传动轴、钻夹头、双导轨；
集成超声波发生器的旋压摩擦装置包括：双滑块、上下面板、丝杆、超声波输入端正极、超声波输入端负极、导电滑块、旋压摩擦装置轴承、第二皮带轮、三角传动带、旋压摩擦装置电机、换能器、变幅杆、旋压摩擦头、整体外壳；
超声波电源包括：超声波输出端正极、超声波功率旋钮、超声波输出端负极、超声波电源开关。
将上述工作台、旋压摩擦装置和超声波电源连接成一个整体，工作台电机固定于支架上，电机通过传动带以及第一皮带轮在轴承的作用下带动传动轴旋转，用于夹持被处理涂层电极的钻夹头固定于传动轴上，工作台的导轨与旋压摩擦装置的滑块配套使用，实现旋压摩擦装置可以往复运动，进而满足旋压摩擦处理的需要；旋压摩擦装置的下面板通过固定于自身之上的丝杆与固定有旋压摩擦组件的上面板相连，通过丝杆可以实现旋压摩擦组件的上下移动，同时实现处理过程中压力加载；旋压摩擦装置的超声波输入端正极和超声波输入端负极分别与超声波电源输出端正极和超声波电源输出端负极相连；导电滑块与换能器通过导线连接，换能器与变幅杆连接；旋压摩擦头在第二皮带轮、三角传动带、旋压摩擦装置电机以及旋压摩擦装置轴承的共同作用进行旋转，实现对材料涂层旋压摩擦处理，旋压摩擦装置通过外壳进行封装。
上述工作台，在电机的驱动下，通过皮带、第一皮带轮、工作台轴承的共同作用，带动装有钻夹头的轴旋转。集成超声波发生器的旋压摩擦装置，通过下面板上的双滑块与工作台上的双导轨进行配套使用，相对被处理工件做往复运动。
上述旋压摩擦组件，固定于上面板之上，上下面板之间通过丝杆连接，丝杆不仅可以实现旋压摩擦装置的上下移动，还可以通过调节丝杆向被处理工件施以一定的压力。旋压摩擦装置在电机的驱动下，通过皮带、旋压摩擦装置轴承带动旋转。通过调节丝杆，使得装配有无旋压针旋压摩擦头的旋压摩擦装置与被处理工件接触，并施以一定的压力，同时在超声波作用下，实现对工件涂层的旋压摩擦处理。
附图说明
图1为发明装置原理示意图；
图2为夹持并使处理电极旋转的工作台结构图；
图3为集成超声波发生器的旋压摩擦装置结构图；
图4超声波发生器电源图；
图5电火花涂层电极缺陷——(a,b)表面(c)横截面；
图6超声波旋压摩擦处理前后涂层电极显微形貌对比图——(a)未超声波旋压摩擦处理、(b)涂层电极超声波旋压摩擦处理后。
图中标记：A：工作台；B：旋压摩擦装置；C：超声波电源；D：压力；E：直接装配在超声波发生器装置上的旋压摩擦头；F：电极涂层；G：超声波旋压摩擦表面处理；
涂层电极1，支架2，工作台电机3，传动带4，第一皮带轮5，工作台轴承6，传动轴7，钻夹头8，第一导轨9，第二导轨10，双滑块11，下面板12，丝杆13，上面板14，超声波输入端正极15，超声波输入端负极16，导电滑块17，旋压摩擦装置轴承18，第二皮带轮19，三角传动带20，旋压摩擦装置电机21，换能器22，变幅杆23，旋压摩擦头24，整体外壳25，滑块26，超声波输出端正极27，超声波功率旋钮28，超声波输出端负极29，超声波电源开关30。
具体实施方式
本发明实施例的涂层电极后处理原理及装置的相关部件结构示意图如1、2，3，4所示，主要构件包括夹持并使处理电极旋转的工作台A，包括支架2、工作台电机3、传动带4、第一皮带轮5、工作台轴承6、传动轴7、钻夹头8、第一导轨9、第二导轨10；集成超声波发生器的旋压摩擦装置B，包括双滑块11、下面板12、丝杆13、上面板14、超声波输入端正极15、超声波输入端负极16、导电滑块17、旋压摩擦装置轴承18、第二皮带轮19、三角传动带20、旋压摩擦装置电机21、换能器22、变幅杆23、旋压摩擦头24、整体外壳25、滑块26；超声波电源C，包括超声波输出端正极27、超声波功率旋钮28、超声波输出端负极29、超声波电源开关30。将上述构件ABC连接成一个整体，工作台A的工作台电机3固定于支架2上，工作台电机3通过传动带4以及第一皮带轮5在工作台轴承6的共同作用下带动传动轴7旋转，用于夹持被处理涂层电极的钻夹头8固定于传动轴7上，第一导轨9与第二导轨10分别与旋压摩擦装置B的双滑块11和滑块26配套使用，实现旋压摩擦装置B可以相对被处理涂层电极1做往复运动，进而满足旋压摩擦处理的需要；下面板12通过固定于自身之上的丝杆13与固定有旋压摩擦组件的上面板14相连，丝杆13可以实现旋压摩擦装置B的上下移动，同时实现处理过程中压力加载；超声波输入端正极15和超声波输入端负极16分别与超声波电源C输出端正极27和负极29相连；导电滑块17与换能器22通过导线连接，换能器22与变幅杆23连接；旋压摩擦头24的顶部是平面或弧形面，旋压摩擦头24在第二皮带轮19、三角传动带20、旋压摩擦装置电机21以及旋压摩擦装置轴承的共同作用进行旋转，实现对涂层电极1的涂层旋压摩擦处理。
本实施例中，上述工作台A，在电机的驱动下，通过皮带、第一皮带轮、工作台轴承的共同作用，带动装有钻夹头的轴旋转。集成超声波发生器的旋压摩擦装置B，通过下面板上的双滑块与工作台上的双导轨进行配套使用，实现被处理电极往复运动。
本实施例中，上述旋压摩擦组件，固定于上面板14之上，上下面板之间通过丝杆13连接，丝杆13不仅可以实现旋压摩擦组件的上下移动，还可以通过调节丝杆13向被处理工件施以一定的压力。旋压摩擦装置B在电机的驱动下，通过皮带、旋压摩擦装置轴承带动旋转。通过调节丝杆，使得装配有无旋压针旋压摩擦头的旋压摩擦装置与被处理工件接触，并施以一定的压力，同时在超声波作用下，实现对涂层电极的旋压摩擦处理。
本发明实施例的涂层电极超声波旋压摩擦处理工艺，包括以下步骤。
1)对待处理涂层电极进行正确装夹。
2)开启电源，包括工作台电机电源、超声波电源、旋压摩擦装置传动电源，并调节相关参数，主要包括压力大小，传动装置转速，旋压摩擦头转速，超声波功率等。处理过程中旋压摩擦头在超声波旋压摩擦装置和施力系统作用下对涂层电极进行旋压摩擦处理，外力通过丝杆提供；处理过程中，集成超声波发生器的旋压摩擦装置随滑块延导轨作来回运动，进而实现整个涂层的旋压摩擦处理。
3)待沉积结束后，关闭处理平台电源，取下涂层电极。根据需要，可以在取下涂层电极后，再装夹未超声旋压摩擦处理过的涂层电极，进行超声旋压摩擦处理。
4)待若无需对涂层电极进行超声波旋压摩擦处理时，需切断所有电源。
本实施例中，超声波功率为100W，超声频率为50kHz，旋压摩擦头给予涂层电极施加压力为200N；旋压摩擦头以1400r/min速度旋转；摩擦处理时间为3min。图6为使用本发明装置及工艺所处理涂层电极与未经处理涂层电极的金相对比图，从图6中可以清楚发现，使用本发明装置后及工艺对电火花涂层电极进行超声波旋压摩擦处理后，其显微形貌发生了明显变化。主要表现为，涂层裂纹、孔洞，不连续有了很大改观，且涂层电极部分区域处理前粗大的晶粒也得到一定程度细化。
本发明通过超声波旋压摩擦处理工艺，使得电火花涂层电极涂层结合强度提高，涂层缺陷得以改善，而且其表面涂层的材质保持不变，涂层的物理和机械性能有较大的提高。不仅如此，本发明设备陈本低，操作简单，本发明除应用于点焊电极涂层缺陷修复以外还可用于其它具有涂层的零部件表面修复，具有广阔的适用空间。本发明专利的保护范围并不限于上述实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包含在本发明的保护范围之内(所有表面涂层的超声波与旋压摩擦后处理工艺)。

Claims (3)

1.一种工件涂层的表面处理装置，其特征在于：包括夹持被处理工件的工作台、集成超声波发生器的旋压摩擦装置、超声波电源，所述的旋压摩擦装置由旋压摩擦器和超声振动器组成，超声波电源与超声振动器电连接，旋压摩擦器的摩擦头顶部是平面或弧形面；所述工作台中设置有第一导轨(9)与第二导轨(10)，所述旋压摩擦装置中设置有双滑块(11)、下面板(12)、丝杆(13)、上面板(14)、超声波输入端正极(15)、超声波输入端负极(16)、滑块(26)；将所述工作台、旋压摩擦装置和超声波电源连接成一个整体，所述工作台上的第一导轨(9)和第二导轨(10)分别与旋压摩擦装置的双滑块(11)和滑块(26)配套使用，实现旋压摩擦装置可以相对被处理涂层电极做往复运动，进而满足旋压摩擦处理的需要；所述旋压摩擦装置中的下面板(12)通过固定于自身之上的丝杆(13)与固定有旋压摩擦组件的上面板(14)相连，丝杠(13)可以实现旋压摩擦装置的上下移动，同时实现处理过程中压力加载。
2.如权利要求1所述的工件涂层的表面处理装置，其特征在于：所述工作台包括支架(2)、工作台电机(3)、传动带(4)、第一皮带轮(5)、工作台轴承(6)、传动轴(7)、钻夹头(8)、第一导轨(9)、第二导轨(10)；集成超声波发生器的旋压摩擦装置包括双滑块(11)、下面板(12)、丝杆(13)、上面板(14)、超声波输入端正极(15)、超声波输入端负极(16)、导电滑块(17)、轴承(18)、第二皮带轮(19)、三角传动带(20)、旋压摩擦装置电机(21)、换能器(22)、变幅杆(23)、旋压摩擦头(24)、整体外壳(25)、滑块(26)；超声波电源包括超声波输出端正极(27)、超声波功率旋钮(28)、超声波输出端负极(29)、超声波电源开关(30)；
将上述工作台、旋压摩擦装置和超声波电源连接成一个整体，工作台电机(3)固定于支架(2)上，工作台电机(3)通过传动带(4)以及第一皮带轮(5)在工作台轴承(6)的作用下带动传动轴(7)旋转，用于夹持被处理涂层工件的钻夹头(8)固定于传动轴(7)上，旋压摩擦装置的超声波输入端正极(15)和超声波输入端负极(16)分别与超声波电源输出端正极(27)和超声波电源输出端负极(29)相连；导电滑块(17)与换能器(22)通过导线连接，换能器(22)与变幅杆(23)连接；旋压摩擦头(24)的顶面为平面或弧形面，旋压摩擦头(24)在第二皮带轮(19)、三角传动带(20)、旋压摩擦装置电机(21)以及轴承的共同作用进行旋转，实现对涂层工件的旋压摩擦处理。
3.一种利用权利要求1所述的一种工件涂层的表面处理装置进行表面处理的工件涂层的表面处理方法，其特征在于：采用顶部为平面或弧形面的旋压摩擦头对工件的基体材料表面涂层做旋压摩擦加工，旋压摩擦加工的同时对工件或旋压摩擦头施加超声振动；处理过程中，所述旋压摩擦头在旋压摩擦装置的作用下对涂层进行旋压摩擦处理。
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