CN108115263A - 搅拌摩擦焊用搅拌头及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊用搅拌头，它包括夹持柄、硬质合金轴肩和焊接在所述硬质合金轴肩上的聚晶立方氮化硼搅拌针；所述聚晶立方氮化硼搅拌针由聚晶立方氮化硼合成块切割制得。该搅拌摩擦焊用搅拌头耐热性能好、使用寿命长。本发明还提供一种制备所述搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体、焊接和磨削成型的步骤。该步骤工艺简单、易于工业化生产。

Description

搅拌摩擦焊用搅拌头及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊用搅拌头及其制备方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所( The Welding Institute，简称 TWI)于 1991年研究发明的一种先进的固相连接技术，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机械作用并形成接头，在此过程中搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损，因而要求它在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性，还应该由具有良好耐高温静态和动态力学性能以及其他物理特性的耐磨损材料制成。
经过 20 多年的发展，搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。目前，搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时，搅拌头采用工具钢即可；但对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在800℃以上，模具钢则不能满足该条件的要求。因此需要使用难熔金属合金或者结构陶瓷，通常使用硬质合金材料，但硬质合金材料在加工不锈钢、钛合金等金属时，由于热量无法及时散出，导致搅拌头寿命低，加工成本高。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种使用寿命长的搅拌摩擦焊用搅拌头及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种搅拌摩擦焊用搅拌头，它包括夹持柄、硬质合金轴肩和焊接在所述硬质合金轴肩上的聚晶立方氮化硼搅拌针；所述聚晶立方氮化硼搅拌针是切割聚晶立方氮化硼合成块制得的。
基于上述，所述夹持柄为硬质合金夹持柄且与所述硬质合金轴肩一体成型。
基于上述，所述聚晶立方氮化硼搅拌针的形状为圆柱状、圆锥状、三棱柱状或三棱锥状。
基于上述，所述聚晶立方氮化硼针是由以下质量比的原材料制备的：60%～80%的立方氮化硼和20%～40%的结合剂，所述结合剂为金属铝、金属钛、碳化钛、碳化铝、氮化铝、氮化钛、碳氮化铝、碳氮化钛中的一种或几种的组合。
本发明还提供一种制备所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括以下步骤：
制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体 采用金刚石微粉溶液对聚晶立方氮化硼合成块进行表面研磨1 h～15 h；然后采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割，得到聚晶立方氮化硼搅拌针坯体；
焊接 在真空条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得搅拌摩擦焊用搅拌头半成品；
磨削成型 采用砂轮对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工，制得搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
基于上述，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，所述金刚石微粉溶液中所含金刚石微粉的质量百分数为1%～50%且所述金刚石微粉的粒径为1 μm～150 μm。
基于上述，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割的工艺参数为：开路电压100 V～180 V、峰值电流6 A～18 A、脉冲宽度4 μs～30 μs、脉冲间歇10 μs～50 μs、切割速度1.3 mm/min～4.1 mm/min。
基于上述，所述焊接步骤是在真空度为10-6 Pa～10-1 Pa、焊接温度为850℃～1000℃的条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品。
基于上述，在所述磨削成型步骤中，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以450 m/s～550m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成圆柱状、圆锥状、三棱柱状或三棱锥状，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明所提供的搅拌摩擦焊用搅拌头是利用聚晶立方氮化硼复合片作为搅拌针，然后将该材质的搅拌针焊接在硬质合金轴肩上制取的，由于聚晶立方氮化硼材质的搅拌针与硬质合金相比，其在硬度、耐磨性、热稳定性方面均有较大提高，所以，利用高搅拌摩擦焊用搅拌头对高熔点合金的搅拌摩擦加工时，可以有更长的寿命。进一步地，由于是采用焊接手段将聚晶立方氮化硼搅拌针焊接在硬质合金轴肩上的，避免了机械固定存在的装配误差和松动现象。更进一步地，由于聚晶立方氮化硼热导率远高于硬质合金，使得该搅拌摩擦焊用搅拌头在搅拌摩擦加工时热量更容易散出，搅拌区的合金晶粒在散热条件较好时易产生晶粒细化，所以，焊缝的质量要高于使用硬质合金加工。本发明还提供一种制备上述搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，该方法步骤简单、易于工业化生产。
附图说明
图1是本发明中实施例1提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的立体结构示意图。
图2是本发明中实施例1提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的平面投影结构示意图。
图3是本发明中实施例2提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的立体结构示意图。
图4是本发明中实施例3提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的立体结构示意图。
图5是本发明中实施例3提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的平面投影结构示意图。
图6是本发明中实施例4提供的搅拌摩擦焊用搅拌头的立体结构示意图。
图中：1、聚晶立方氮化硼搅拌针；2、硬质合金轴肩；3、夹持柄。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种搅拌摩擦焊用搅拌头，如图1和图2所示，它包括夹持柄3、硬质合金轴肩2和焊接在所述硬质合金轴肩2上的聚晶立方氮化硼搅拌针1。所述聚晶立方氮化硼搅拌针是切割聚晶立方氮化硼合成块制得的。
本实施例中，所述夹持柄3为硬质合金夹持柄且与所述硬质合金轴肩2一体成型，所述聚晶立方氮化硼搅拌针1的形状为圆柱状。
所述聚晶立方氮化硼搅拌针是由以下质量比的原材料制备的：80%的立方氮化硼和20%金属铝结合剂。
本实施例还提供一种制备所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括以下步骤：
制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体 采用金刚石微粉溶液对聚晶立方氮化硼合成块进行表面研磨3 h；然后采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割，得到聚晶立方氮化硼搅拌针坯体；其中，采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼复合片进行切割的工艺参数为：开路电压180 V、峰值电流18 A、脉冲宽度30 μs、脉冲间歇50 μs、切割速度4.1 mm/min；
焊接 在真空度为10-6 Pa、焊接温度为1000℃的条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品；
磨削成型 采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以550 m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成圆柱状，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
其中，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，所述金刚石微粉溶液中所含金刚石微粉的质量百分数为50%且所述金刚石微粉的粒径为150 μm。
实施例2
本实施例提供一种搅拌摩擦焊用搅拌头，如图3所示，具体结构与实施例1中的结构大致相同，不同之处在于：本实施例中，所述聚晶立方氮化硼搅拌针1的形状为三棱柱。所述聚晶立方氮化硼搅拌针是由以下质量比的原材料制备的：60%的立方氮化硼和40%金属钛结合剂。
本实施例还提供一种制备所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括以下步骤：
制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体 采用金刚石微粉溶液对聚晶立方氮化硼合成块进行表面研磨8h；然后采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼复合片进行切割，得到聚晶立方氮化硼搅拌针坯体；
焊接 在真空度为10-1 Pa、焊接温度为850℃的条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品；
磨削成型 采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以500 m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成三棱柱状，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
其中，本实施例中，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，所述金刚石微粉溶液中所含金刚石微粉的质量百分数为30%且所述金刚石微粉的粒径为80 μm。采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼复合片进行切割的工艺参数为：开路电压150V、峰值电流9 A、脉冲宽度4 μs、脉冲间歇10 μs、切割速度3 mm/min。
实施例3
本实施例提供一种搅拌摩擦焊用搅拌头，如图4和图5所示，具体结构与实施例1中的结构大致相同，不同之处在于：本实施例中，所述聚晶立方氮化硼搅拌针1的形状为外表面设置有凸起的圆锥形。所述聚晶立方氮化硼搅拌针是由以下质量比的原材料制备的：70%的立方氮化硼、10%的氮化钛结合剂和20%的氮化铝结合剂。
本实施例还提供一种制备所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括以下步骤：
制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体 采用金刚石微粉溶液对聚晶立方氮化硼合成块进行表面研磨7h；然后采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割，得到聚晶立方氮化硼搅拌针坯体；
焊接 在真空度为10-5Pa、焊接温度为880℃的条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品；
磨削成型 采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以520 m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成外表面设置有凸起的圆锥形，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
其中，本实施例中，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，所述金刚石微粉溶液中所含金刚石微粉的质量百分数为20%且所述金刚石微粉的粒径为75μm。采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼复合片进行切割的工艺参数为：开路电压110V、峰值电流9 A、脉冲宽度22 μs、脉冲间歇20 μs、切割速度3.3 mm/min。
实施例4
本实施例提供一种搅拌摩擦焊用搅拌头，如图6所示，具体结构与实施例1中的结构大致相同，不同之处在于：本实施例中，所述聚晶立方氮化硼搅拌针1的形状为三棱锥形。所述聚晶立方氮化硼搅拌针是由以下质量比的原材料制备的：69%的立方氮化硼和31%金属钛结合剂。
本实施例还提供一种制备所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于在所述磨削成型步骤中，本实施例采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以520 m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成三棱锥形，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊用搅拌头，其特征在于：它包括夹持柄、硬质合金轴肩和焊接在所述硬质合金轴肩上的聚晶立方氮化硼搅拌针；所述聚晶立方氮化硼搅拌针是切割聚晶立方氮化硼合成块制得的。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊用搅拌头，其特征在于：所述夹持柄为硬质合金夹持柄且与所述硬质合金轴肩一体成型。
3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊用搅拌头，其特征在于：所述聚晶立方氮化硼搅拌针的形状为圆柱状、圆锥状、三棱柱状或三棱锥状。
4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊用搅拌头，其特征在于：所述聚晶立方氮化硼针是由以下质量比的原材料制备的：60%～80%的立方氮化硼和20%～40%的结合剂，所述结合剂为金属铝、金属钛、碳化钛、碳化铝、氮化铝、氮化钛、碳氮化铝、碳氮化钛中的一种或几种的组合。
5.一种制备权利要求1～4任一项所述的搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，具体包括以下步骤：
制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体 采用金刚石微粉溶液对聚晶立方氮化硼合成块进行表面研磨1 h～15 h；然后采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割，得到聚晶立方氮化硼搅拌针坯体；
焊接 在真空条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得搅拌摩擦焊用搅拌头半成品；
磨削成型 采用砂轮对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工，制得搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
6. 根据权利要求5所述的制备搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，其特征在于，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，所述金刚石微粉溶液中所含金刚石微粉的质量百分数为1%～50%且所述金刚石微粉的粒径为1 μm～150 μm。
7. 根据权利要求6所述的制备搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，其特征在于，在所述制备聚晶立方氮化硼搅拌针坯体步骤中，采用电火花切割设备对研磨后的所述聚晶立方氮化硼合成块进行切割的工艺参数为：开路电压100 V～180 V、峰值电流6 A～18 A、脉冲宽度4 μs～30 μs、脉冲间歇10 μs～50 μs、切割速度1.3 mm/min～4.1 mm/min。
8. 根据权利要求7所述的制备搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，其特征在于，所述焊接步骤是在真空度为10-6 Pa～10-1 Pa、焊接温度为850℃～1000℃的条件下，将所述聚晶立方氮化硼搅拌针坯体焊接在硬质合金轴肩上，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品。
9. 根据权利要求8所述的制备搅拌摩擦焊用搅拌头的方法，其特征在于，在所述磨削成型步骤中，采用陶瓷结合剂金刚石砂轮以450 m/s～550 m/s的线速度对所述搅拌摩擦焊用搅拌头半成品中的聚晶立方氮化硼搅拌针坯体进行磨削加工成圆柱状、圆锥状、三棱柱状或三棱锥状，制得所述搅拌摩擦焊用搅拌头成品。
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