CN110216365A - 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法，包括如下步骤：S1、搅拌针采用常规工具钢制作，在搅拌针表面制备高耐磨、高摩擦系数的涂层；S2、轴肩采用常规工具钢制作，在轴肩端面制备高耐磨、低摩擦系数的涂层；S3、在静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中，首先将旋转的搅拌针插入待焊碳化硅颗粒增强铝基复合材料试板，使静止轴肩与试板表面紧密接触，旋转的搅拌针与周围材料进行摩擦并在两者界面处产生热量，在摩擦热下搅拌针周围的材料发生软化呈塑性状态，随后，搅拌针沿焊接方向移动且静止轴肩在试板表面滑动而形成焊缝。该方法采用静止轴肩搅拌摩擦焊技术，实现碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接。

Description

一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法。
背景技术
SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al复合材料)以其低的线膨胀系数、低密度与高比强度的特点，在航天器有效载荷中，对于结构尺寸稳定性、减重要求高的空间遥感相机壳体、框架等结构中有重要的应用，其可靠连接也是工程应用必须解决的重要问题。颗粒增强铝基复合材料的基体与增强相之间由于物理、化学性能差异较大，给焊接带来了较大的难度。
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是英国焊接研究所(TWI)发明的一种新型的固相连接技术，具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，被广泛用于铝合金、镁合金等同种及异种材料的连接。由于其焊接过程中材料不发生熔化，同时焊接过程对氧化膜不敏感，使其成为一种理想的连接SiCp/Al复合材料的方法。
搅拌工具是搅拌摩擦焊的核心部件，对焊接热过程和材料的塑性流动行为有重要影响，进而影响焊缝质量。而在SiCp/Al复合材料的搅拌摩擦焊过程中，由于搅拌工具与增强相间发生强烈的相互作用而发生磨损，使得用于SiCp/Al复合材料的搅拌工具寿命大大降低，成为制约搅拌摩擦焊技术在SiCp/Al复合材料焊接制造中应用的关键因素。
一方面，对于SiCp/Al复合材料的搅拌摩擦焊，采用常规的工具钢等材料制作搅拌工具，由于材料的耐磨性较差而难以实现有效焊接；而采用硬度更高、耐磨性更好的高速钢、高温合金、W-Re合金和立方氮化硼(PCBN)等材料制作搅拌工具，由于成本高、可加工性差，限制了其在生产中的应用。
另一方面，在传统搅拌摩擦焊中，焊接过程中的70-80％的摩擦热产生于旋转轴肩与试板表面的摩擦界面，搅拌针产生20-30％的焊接热量。被焊材料表面热输入较大，过多的热输入将会导致强化相粒子与母材基体之间发生有害的冶金反应。而且，在传统搅拌摩擦焊过程中，由于轴肩和搅拌针对材料的摩擦作用不同，使得材料流动不均匀，轴肩影响区的材料流动速度大于搅拌针影响区。在常规方法焊接SiCp/Al复合材料时，由于这种材料流动不均匀会导致强化相粒子的偏聚，降低接头的力学性能。有关静止轴肩搅拌摩擦焊技术，详见中国专利CN 106077946 A、CN 205798685 U、CN 106001905 A、CN 106624337 A、CN203843367 U。
综上所述，虽然搅拌摩擦焊技术是SiCp/Al复合材料理想的焊接方法，但是由于传统搅拌摩擦焊技术在焊接SiCp/Al复合材料时存在搅拌工具寿命低、成本高、热输入过大和强化相粒子偏聚等问题，因此亟需开发针对SiCp/Al复合材料高质量、低成本搅拌摩擦焊新方法。
发明内容
本发明的目的在于实现SiCp/Al复合材料的搅拌摩擦焊制造，能够解决传统搅拌摩擦焊技术在焊接SiCp/Al复合材料时存在搅拌工具寿命低、成本高、热输入过大和强化相粒子偏聚等问题。
因此，本发明提供一种SiCp/Al复合材料的搅拌摩擦焊方法，该方法采用静止轴肩搅拌摩擦焊技术进行SiCp/Al复合材料的焊接；包括如下步骤：S1、搅拌针采用工具钢制作，在搅拌针表面制备高耐磨、高摩擦系数的涂层；S2、轴肩采用工具钢制作，在轴肩端面制备高耐磨、低摩擦系数的涂层；S3、在静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中，首先将旋转的搅拌针插入待焊碳化硅颗粒增强铝基复合材料试板，使静止轴肩与试板表面紧密接触，旋转的搅拌针与周围材料进行摩擦并在两者界面处产生热量，在摩擦热下搅拌针周围的材料发生软化呈塑性状态，随后，搅拌针沿焊接方向移动且静止轴肩在试板表面滑动而形成焊缝。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用静止轴肩搅拌摩擦焊技术(Stationary Shoulder Friction StirWelding，SSFSW)进行SiCp/Al复合材料的焊接。SSFSW的产热机制与传统FSW有着很大的差别。在SSFSW中，避免了轴肩与试板产生大量的摩擦热，仅在旋转的搅拌针与其周围材料集中产生摩擦热，并对周围材料进行软化和搅拌，从而实现焊接，避免了多余热输入，减少了强化相与基体铝合金之间的有害冶金反应，提高了焊接接头力学性能，同时大大降低了焊后变形。而采用SSFSW技术，只有搅拌针旋转，因此避免了上述强化相粒子分布不均匀的问题。
2、在搅拌工具的轴肩和搅拌针表面制备不同的涂层，即在静止轴肩端面制备高耐磨、低摩擦系数的涂层，来改善焊缝表面成型质量和降低搅拌工具的前进抗力，同时提高搅拌工具使用寿命；在搅拌针表面制备高耐磨、高摩擦系数的涂层，促进搅拌针与待焊材料的摩擦作用，进而提高产热能力，同时可进一步增加焊接速度，提高生产效率。
3、该方法可进一步推广到大厚板铝合金、钛合金等高熔点材料的搅拌摩擦焊制造中，可以大大降低搅拌工具的磨损，提高搅拌工具寿命，进而降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法原理示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，本发明碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法包括如下步骤：
S1、搅拌针3采用常规工具钢制作，在搅拌针表面5制备高耐磨、高摩擦系数的涂层；
S2、轴肩2采用常规工具钢制作，在轴肩端面4制备高耐磨、低摩擦系数的涂层；
S3、在静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中，首先将旋转的搅拌针3插入待焊碳化硅颗粒增强铝基复合材料试板1，使静止轴肩2与试板表面紧密接触，旋转的搅拌针3与周围材料进行摩擦并在两者界面处产生热量，在摩擦热下搅拌针3周围的材料发生软化呈塑性状态，随后，搅拌针3沿焊接方向移动且静止轴肩2在试板表面滑动而形成焊缝。
优选的，所述搅拌针与轴肩的基体材料选用H13工具钢。
优选的，所述搅拌针表面与轴肩端面的耐磨涂层采用高功率脉冲磁控溅射方法制备。

Claims (3)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、搅拌针采用工具钢制作，在搅拌针表面制备高耐磨、高摩擦系数的涂层；S2、轴肩采用工具钢制作，在轴肩端面制备高耐磨、低摩擦系数的涂层；S3、在静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中，首先将旋转的搅拌针插入待焊碳化硅颗粒增强铝基复合材料试板，使静止轴肩与试板表面紧密接触，旋转的搅拌针与周围材料进行摩擦并在两者界面处产生热量，在摩擦热下搅拌针周围的材料发生软化呈塑性状态，随后，搅拌针沿焊接方向移动且静止轴肩在试板表面滑动而形成焊缝。
2.如权利要求1所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：所述搅拌针与轴肩的基体材料选用H13工具钢。
3.如权利要求1所述的一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：搅拌针表面与轴肩端面的耐磨涂层采用高功率脉冲磁控溅射方法制备。
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