CN109514075A - 一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头制备方法，包括：在与工件摩擦位置，即搅拌针及轴肩表面位置采用高温耐磨材料；在搅拌针心部及轴肩端面非接触位置采用韧性好、强度高、经济性好的材料，并最终采用激光近净成形的方式实现这两种材料的梯度过渡及搅拌头近净成形。本发明提供的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，能够实现搅拌头工作中与金属直接接触的搅拌针及轴肩位置具有较好的高温耐磨性能，搅拌头整体具有优良的韧性、较高强度及较好经济性。本发明相对于传统的工具钢和模具钢拓展了搅拌工具的使用范围并延长使用寿命，相对于钨基搅拌头及聚晶立方氮化硼搅拌头本发明大大提高了搅拌头整体断裂韧性及制造的经济性。

Description

一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域、搅拌摩擦焊领域、功能梯度材料领域，特别涉及一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法。

背景技术

激光近净成形技术是增材制造的一种，是集计算机技术、激光技术、传感器技术及材料凝固学等技术为一体的受多种因素影响的一种新型先进制造技术，适用于金属、陶瓷等多种材料的成形。该技术采用三维建模软件构建零件实体模型并分层切片，生成运动轨迹，并利用高能激光束在金属或陶瓷表面形成熔池，粉末由惰性气体输送入熔池，在激光作用下形成熔覆层，经层层堆积形成实体零件。

功能梯度材料(Functional Graded Material,FGM)最早于上世纪80年代后期由日本学者新野正之等首先提出这个概念，主要用于航天飞机外蒙皮和发动机上的隔热材料。由于功能梯度材料的性能，如物理、化学和机械性能可以满足不同应用，很快引起很多国家科技工作者的关注。传统的复合材料是由两种或两种以上的不均匀的材料结合在一块，存在明显的界面，材料的物性参数在界面表现出明显的差异和不匹配，容易使界面成为失效点。功能梯度材料，即材料的成分和结构从材料的某一方位向另一方位连续变化，使材料的性能也呈现梯度变化的一种新材料。

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新型固相连接技术，目前已广泛应用于航天、船舶制造等领域。搅拌头作为搅拌摩擦焊的核心部件，其通过与工件摩擦、搅拌作用使金属塑性变形，在搅拌工具的下压力和旋转作用下使塑性材料充分流动，从搅拌针前段移动到搅拌针后端形成焊接头。所以能用来制造搅拌头的材料应具有良好的抗磨损能力及耐高温性，及在任何温度下不与工件发生化学反应。常用搅拌头材料有：(1)工、模具钢，主要用于焊接轻质合金，如铝、镁合金等；(2)钨基材料，可满足钢、钛合金等硬质合金材料的搅拌摩擦焊接需求，但制造成本较高；(3)聚晶立方氮化硼，其高温稳定性和耐磨性好，高温强度和硬度高，但断裂韧性低，制造成本高，适用于钢和钛合金等材料的搅拌摩擦焊。

综上，将激光近净成形技术应用于功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头的制备，根据搅拌头不同位置的不同性能需求，通过改变输送入熔池中粉末成分，可制备出成分及功能梯度变化的搅拌头。据报道，重庆大学相关研究人员采用选区激光熔化(SLM)技术进行搅拌摩擦焊搅拌头增材制造，但其制造材料为单一工具钢材料，不具备功能梯度特性。相关研究人员采用真空烧结的方式进行硬质合金搅拌头制备，与GH4169搅拌头相比不仅成倍提高了焊接效率，同时降低了搅拌头的消耗，但WC-Co基硬质合金搅拌头韧性低，制备工艺复杂。相关研究人员采用Deform-3D有限元软件对铝合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损速度进行仿真，表明刚开始搅拌时最大磨损位置发生在搅拌针外侧；焊接过程中搅拌头的最大磨损量发生在轴肩最外围。因此通过激光近净成形方式在搅拌针外侧及轴肩位置处成形耐高温磨损性能的搅拌头对降低搅拌头磨损、延长搅拌头寿命具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，以解决搅拌头搅拌针及轴肩位置易磨损、钨基材料制造成本高、聚晶立方氮化硼材料断裂韧性低等问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其具体步骤包括：首先，进行不同成分比例混合粉末单层单道激光近净成形，优选单层单道工艺参数；其次，对搅拌头模型进行分层切片，得到激光近净成形扫描路径；然后，采用激光近净成形技术实现搅拌头主体部分成形；最后，改变混合粉末比例，并采用优选工艺参数进行轴肩过渡区和搅拌针过渡区激光近净成形。

优选的，本发明采用激光近净成形技术，在搅拌头与工件非接触区域采用韧性好、强度高、经济性好的材料进行成形，比如316不锈钢，形成搅拌头的主体部分；采用激光近净成形技术，在搅拌头与工件接触区域采用高温耐磨性好的材料进行成形，比如WC/Co合金，形成轴肩断面及搅拌针表面。

优选的，在所述搅拌头的主体部分基础上，应用激光近净成形技术，逐渐增加混合粉末中耐磨材料比例，耐磨材料如WC/Co合金，实现材料从主体部分韧性好、强度高、经济性好的材料向轴肩端面及搅拌针表面高温耐磨性好的材料梯度过渡，从而形成轴肩成分梯度过渡区及搅拌针成分梯度过渡区。

本发明提出的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法具有以下优点：

(1)采用激光近净成形的方式进行搅拌摩擦焊搅拌头的成形，能够实现成分从搅拌头主体部分的韧性好、强度高、经济性好的材料向搅拌针表面及轴肩端面与工件摩擦位置处的高温耐磨性好的材料成分梯度过渡，同时实现性能的梯度过渡。相比于采用涂层的搅拌头，异质材料间能够实现成分梯度过渡，无明显界面，结合性能更好。

(2)相对于传统工具钢、模具钢搅拌摩擦焊搅拌头，增强了其搅拌头高温耐磨损性能，延长了其使用寿命，拓展了搅拌头的使用范围。

(3)由于功能梯度搅拌头心部主体部位为韧性较好的材料，因此相对于钨基搅拌摩擦焊搅拌头，功能梯度搅拌头将具有与钨基搅拌头相同的高温耐磨性，除此之外功能梯度搅拌头整体断裂韧性得到提升，因此使用寿命得到提升。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明提供的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法流程图。

图2为功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头结构组成示意图；其中，4-夹持端，5-轴肩，6-搅拌针。

图3为一体式功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头结构示意图，颜色由浅到深代表成分梯度过度；其中，1-主题部分，2-轴肩过渡区，3-搅拌针过渡区。

图4为分体式功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头结构示意图，颜色由浅到深代表成分梯度过度。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头制备方法做进一步明确说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本发明的核心思想在于，本发明提供的功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，能够实现搅拌头的材料从搅拌头主体部分的韧性好、强度高、经济性好的材料向搅拌头轴肩端面及搅拌针表面的高温耐磨性好的材料，实现成分梯度过渡，进而实现性能梯度过渡。

本发明以316不锈钢及WC/Co合金为例，说明功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形实施方案，本发明保护的范围包括但不限于这两种材料。由于316不锈钢材料具有优良的综合力学性能，WC/Co具有较好的高温摩擦磨损性能，因此通过激光近净成形技术实现搅拌头材料的梯度过渡，同时也实现了搅拌头性能的梯度过渡。这相对于传统的工具钢、模具钢等搅拌头大大提高了轴肩及搅拌针的耐磨性、提高了搅拌摩擦焊焊接速度及搅拌头使用寿命，并大大拓展了传统搅拌摩擦焊搅拌头的使用范围。相对于钨基搅拌头、聚晶立方氮化硼搅拌头等高硬度高耐磨材料的搅拌头，一方面功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头心部为韧性较好的不锈钢，因此搅拌头断裂韧性得到提高；另一方面激光近净成形的方式进行功能梯度搅拌头制备，使得难加工材料的制造变的容易，且在相同焊接效果下，功能梯度材料的应用降低了钨基材料的使用。

图1为本发明实施例提供的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法步骤流程示意图。参照图1功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头制备方法，包括：

(a)优选不同比例混合粉末下单层单道工艺参数，由于316不锈钢的熔点为1370-1398℃，碳化钨的熔点可达2870℃，Co金属熔点为1495℃。因此，随混合粉末中WC/Co合金比例增多，熔化混合粉末所需能量增加。本研究中采用增大激光功率的方式来满足混合粉末熔化对激光能量的需求。研究中梯度过渡步长为20％，即混合粉末的比例有0％WC/Co(100％316)、20％WC/Co(80％316)、40％WC/Co(60％316)、60％WC/Co(40％316)、80％WC/Co(20％316)、100WC/Co(0％316)，混合比例均采用体积比。6种混合粉末单层单道形貌较优的工艺参数为扫描速度6mm/s，送粉速率3.6g/min(316粉末)，激光功率依次为1000W、1100、1200W、1300W、1400W、1500W。

(b)对搅拌摩擦焊搅拌头模型进行分层切片得到激光近净成形扫描路径。本研究中的搅拌摩擦焊搅拌头选择的是平轴肩、圆柱形搅拌针，如图2，其它类型搅拌头形式方法类似。

(c)对搅拌头主体部分，一体式如图3、分体式如图4，进行激光近净成形。主体部分采用韧性较好的316不锈钢，成形工艺参数为激光功率P＝1000W、扫描速度V＝6mm/s，送粉速率Q＝3.6g/min，Z轴提升量为0.2mm。

(d)在主体部分的基础上，通过改变双桶送粉器转速控制316不锈钢和WC/Co合金粉末混合比例，采用工艺参数为(a)中所述的工艺参数，实现成分从搅拌头主体部分向搅拌针表面及轴肩端面位置梯度过渡，形成轴肩梯度过渡区及搅拌针梯度过渡区，一体式搅拌头如图3、分体式搅拌头如图4。最终完成功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头成形。

Claims (6)

1.一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，进行不同成分比例混合粉末单层单道激光近净成形；

步骤二，对搅拌头模型进行分层切片，得到激光近净成形扫描路径；

步骤三，采用激光近净成形技术实现搅拌头主体部分成形；

步骤四，改变混合粉末比例，并采用优选工艺参数进行轴肩过渡区和搅拌针过渡区激光近净成形。

2.如权利要求1所述的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，所述步骤一中，优选单层单道工艺参数。

3.如权利要求1所述的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，在搅拌头与工件接触区域采用高温耐磨性好的材料进行成形，形成轴肩端面及搅拌针表面。

4.如权利要求1所述的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，通过改变输送粉末比例实现主体部分向轴肩端面及搅拌针表面成分梯度过渡，形成轴肩梯度过渡区和搅拌针梯度过渡区。

5.如权利要求1所述的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，在所述搅拌头的主体部分基础上，应用激光近净成形技术，逐渐增加混合粉末中耐磨材料比例，实现材料从主体部分韧性好、强度高、经济性好的材料向轴肩端面高温耐磨性好的材料梯度过渡，从而形成轴肩成分梯度过渡区。

6.如权利要求1所述的一种功能梯度搅拌摩擦焊搅拌头激光近净成形方法，其特征在于，采用一体式和分体式结构搅拌摩擦焊搅拌头成形。