CN110560881A - 一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法及装置，其特征是所述的方法包括以下步骤：1)在待连接板材的连接面上预制纳米晶的碳化钛薄膜。2）将有碳化钛薄膜的连接面对接装夹固定在绝缘垫板上，同时将电动导轨固定在绝缘垫板上，使导电块能与待连接板材接触。3）将脉冲电源的两个电极分别连接到两个导电块上。搅拌摩擦连接时，启动控制器，通上高密度脉冲电流，该电流流经待焊接板材和连接区的碳化钛薄膜，产生大量焦耳热。本发明通过焦耳热效应与磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应耦合共同促进连接区金属的位错运动，降低连接区的流动应力，再结合搅拌摩擦连接加工，能够获得高质量的连接焊缝，实现对高熔点合金的搅拌摩擦连接。

Description

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置

技术领域

本发明涉及金属材料连接技术，尤其是一种高熔点金属材料搅拌摩擦连接技术，具体地说是一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置。

背景技术

搅拌摩擦连接是一项新颖和环保的固相连接技术，它是通过搅拌工具（搅拌头）以一定的旋转速度下压到待连接处，搅拌工具的轴肩和搅拌针与待连接材料发生摩擦产热，使包裹在搅拌针周围的材料温度迅速上升，达到热塑性状态，在搅拌工具自身旋转运动的同时，搅拌工具还以一定的连接速度沿着焊缝向前移动，搅拌针周围的热塑性材料在搅拌针的旋转驱动下向搅拌针的后方流动，在轴肩的压力作用下形成可靠的焊缝。由于搅拌摩擦连接是固相连接，连接时没有达到材料的熔点，可以避免熔焊带来的孔洞和热裂纹等焊接缺陷。并且，焊缝的表面质量好，接头的力学性能优越，制造过程绿色环保。正因为这些明显的优越性，搅拌摩擦连接技术已经应用于航空航天、汽车产业、轨道交通等领域，尤其是在铝合金、镁合金等低熔点的有色金属方面，给工程应用带来了巨大的经济效益和社会效益。但是在普通碳钢、不锈钢、钛合金等高熔点金属的搅拌摩擦连接应用方面还存在一些问题，这些金属熔点高，硬度大，仅仅靠搅拌工具的热输入很难保证材料得到较好的塑性软化，容易导致搅拌工具的严重磨损和失效，并且容易存在焊接缺陷；通过改变工艺参数来提高热输入量，对搅拌工具和搅拌设备提出了很高的要求，这严重制约了搅拌摩擦连接技术在高熔点合金材料连接上的应用。

电致塑性效应是指材料(包括各种金属材料、陶瓷材料、超导材料、粉末冶金制品等) 在运动电子(电流或电场) 作用下，引发材料变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象。电致塑性效应是焦耳热效应、磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果。流经材料变形截面的高密度运动电子与材料内部原子发生碰撞，增加了原子动能，改变金属中位错的激活能，加快位错的运动速度，有利于打开位错间的缠结和克服其滑移面上的障碍，降低材料的流动应力，促进动态再结晶，抑制孔洞的产生，显著提高其塑性变形能力。

从公开的文献和资料检索来看，在美国专利（US8164021B1）中就公布了一种电辅助搅拌摩擦焊技术，它通过将电源的一端接在搅拌头上，另一端接在待焊接板材上，形成电源-搅拌头-待焊接板材的闭合回路，利用搅拌针和带焊接板材间的电流产热来辅助搅拌摩擦焊接。该种方法搅拌针的结构设计复杂，流经在搅拌头和待焊接板材之间的电流转化成的焦耳热很大一部分消耗在搅拌头本体上，对待焊接板材的辅助加热效果有限。美国专利（US9981338B2）也公布了一种电致塑性效应的复合搅拌摩擦焊接方法，该方法是通过一对传导轮作为两个电极将电流传至待焊接材料的表面，传导轮安装在主轴支架上，可以与搅拌头一起移动。由于在电流的闭合回路中，电流会选择具有最低电阻的最短路径，也就是说，该种方法电流会选择流经待焊接材料的表面，这样电致塑性效应对焊缝的中下部作用较小，容易在接头底部产生缺陷。中国专利（申请号：201810544099 .X）公开了一种电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法，通过脉冲电流和强磁场来辅助高熔点合金的搅拌摩擦焊接，脉冲电流的加载方式是通过导电刷与工件保持紧密接触，且导电刷跟随搅拌头同步移动，这种电流的加载方式与美国专利（US9981338B2）的相似，电致塑性效应对焊缝的中下部影响较小，容易在接头底部出现缺陷，且导电刷跟随搅拌头同步移动，不能单独移动，大大限制了导电刷的使用范围。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高熔点金属搅拌摩擦连接容易出现的热量输入不足、搅拌工具容易失效等问题，以及现有电辅助搅拌摩擦连接中存在的辅助效果有限等问题，结合搅拌摩擦连接技术和电致塑性效应的优点，发明一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法，同时提供一种相应的装置。

本发明的技术方案实现如下：

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法，其特征在于它包括以下步骤：

1) 搅拌摩擦连接前，首先对待连接板材7进行预处理，将待连接板材7用砂纸打磨去除氧化层、用酒精和丙酮进行清洗，然后在待连接板材7的连接面上生长纳米晶的碳化钛薄膜11。

2）碳化钛薄膜11生长完成后，将有碳化钛薄膜11的连接面对接装夹固定在绝缘垫板3上，同时根据待焊接板材的尺寸将电动导轨4固定在在绝缘垫板3上，保证导电块6在电动导轨4上滑动时，始终能与待连接板材7接触。

3）将脉冲电源9的两个电极分别连接到两个导电块6上，设置脉冲电源9的参数、电动导轨4的移动参数和搅拌摩擦连接工艺参数。搅拌摩擦连接时，启动控制器10，通上高密度脉冲电流，该电流流经待焊接板材7和连接区的碳化钛薄膜11，产生大量焦耳热，该焦耳热效应与磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应耦合共同促进了连接区金属的位错运动，降低连接区的流动应力，再结合搅拌摩擦连接加工，能够获得高质量的连接焊缝，实现对高熔点合金的电致塑性效应搅拌摩擦连接。

所述的碳化钛薄膜11的微观结构状态是纳米晶，厚度为50-200纳米。

所述的纳米晶碳化钛薄膜11的制备方法可以是化学气相沉积，也可以是物理气相沉积，阴极放电，离子镀等方法。

所述的纳米晶碳化钛薄膜11不仅能大大提高电致塑性效应中的焦耳热效应，而且纳米晶碳化钛薄膜被搅拌工具搅拌破碎后形成的硬质颗粒对焊缝还能起到颗粒强化的效果。

所述的纳米晶碳化钛薄膜也可以是其他种类电阻率较高的薄膜。

所述的导电块6与待连接板材7的接触位置始终保持在板材厚度的中心线位置，保证电致塑性效应对整个焊缝区域的作用。

所述的导电块6的运动方式，对于同种金属连接，两个导电块6的运动方式可以是与搅拌工具2保持在一条直线上同步运动；也可以是两个导电块6的对应的焊缝中心点与搅拌工具2在前进方向上保持一定距离，然后三者同步运动。对与异种金属连接，可以根据材料的种类，控制两个导电块6与搅拌工具2三者之间的运动。

本发明的技术方案之二是：

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接装置，其特征是它包括搅拌工具绝缘层1、搅拌工具2、绝缘垫板3、电动导轨4、导轨支撑座5、导电块6、待连接板材7、伺服电机8、脉冲电源9、控制器10和碳化钛薄膜11；待连接板材7的待连接面上均沉积有碳化钛薄膜11，每个待连接板材未沉积碳化钛薄膜的一侧均安装有一个电动导轨4，电动导轨4安装在绝缘垫板3上。所述的搅拌工具绝缘层1和绝缘垫板3是将整个搅拌摩擦连接加工区域与搅拌摩擦设备绝缘；所述的导电块6安装在导轨支撑座5上，导轨支撑座5在伺服电机8的驱动下在电动导轨4上运动，且导电块6与导轨支撑座5之间是绝缘的，两个导电块6分别与脉冲电源9的正负极相连；所述的控制器10与伺服电机8相连，可以控制伺服电机8的运动，从而控制导轨支撑座5的运动。

所述的导电块6与待连接板材7厚度中心位置相接触。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过在焊缝处预制纳米晶碳化钛薄膜，能够大大提高焦耳热效应，从而提高连接区域材料温度。焦耳热效应与磁致塑性效应、趋肤效应和电致塑性效应共同耦合作用，能影响焊接区域塑性变形金属的位错运动，促进位错增殖与滑移，提升材料塑性，促进连接区域材料流动，降低焊接载荷；还可以提高金属及化合物的回复和再结晶速率，有效降低再结晶温度，使再结晶组织得到细化，提高焊缝质量。

（2）本发明连接区域的纳米晶碳化钛薄膜在搅拌工具的搅拌作用下破碎，还能对焊缝的组织起到颗粒强化的作用，提高焊缝质量。

（3）本发明脉冲电流的加载方式能够有效避免焊缝底部出现缺陷，加载方式简单，实施容易，灵活多变，应用范围广。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图一；

图2为图1的正视结构示意图；

图3为本发明装置结构局部放大图；

图中：1：搅拌工具绝缘层，2：搅拌工具，3：绝缘垫板，4：电动导轨，5：导轨支撑座，6：导电块，7：待连接板材，8：伺服电机，9：脉冲电源，10：控制器，11：碳化钛薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一。

如图1、图2和图3所示。

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法，具体步骤如下：

1) 搅拌摩擦连接前，首先对待连接板材7进行预处理，将待连接板材7用砂纸打磨去除氧化层、用酒精和丙酮进行清洗，利用化学气相沉积，或物理气相沉积，或阴极放电或离子镀等方法在待连接板材7的连接面上生长纳米晶的碳化钛薄膜11（如图3），碳化钛薄膜11的厚度控制在50-200纳米。

2）碳化钛薄膜11预制完成后，将有碳化钛薄膜11连接面的两块待连接板材7对接装夹固定在绝缘垫板3上，同时根据待焊接板材的尺寸将电动导轨4固定在在绝缘垫板3上，保证导电块6在电动导轨4上滑动时，始终能与待连接板材7接触。且导电块6与待连接板材7的接触位置始终保持在板材厚度的中心线位置，保证电致塑性效应对整个焊缝区域的作用，如图1、2所示。

3）将脉冲电源9的两个电极分别连接到两个导电块6上，设置脉冲电源9的参数、电动导轨4的移动参数和搅拌摩擦连接工艺参数。搅拌摩擦连接时，启动控制器10，通上高密度脉冲电流，该电流流经待焊接板材7和连接区的碳化钛薄膜11，产生大量焦耳热，该焦耳热效应与磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应耦合共同促进了连接区金属的位错运动，降低连接区的流动应力，再结合搅拌摩擦连接加工，能够获得高质量的连接焊缝，实现对高熔点合金的电致塑性效应搅拌摩擦连接。

具体实施时，导电块6的运动方式根据不同的情况可以有多种方式，对于同种金属连接，两个导电块6的运动方式可以是与搅拌工具2保持在一条直线上同步运动；也可以是两个导电块6对应的焊缝中心点与搅拌工具2在前进方向上保持一定距离，然后三者同步运动。对与异种金属连接，可以根据材料的种类，控制两个导电块6与搅拌工具2三者之间的运动。

实施例二。

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接装置，其包括搅拌工具绝缘层1、搅拌工具2、绝缘垫板3、电动导轨4、导轨支撑座5、导电块6、待连接板材7、伺服电机8、脉冲电源9、控制器10和碳化钛薄膜11，如图1所示；待连接板材7的待连接面上均沉积有碳化钛薄膜11（如图3），每个待连接板材7未沉积碳化钛薄膜11的一侧均安装有一个电动导轨4，电动导轨4安装在绝缘垫板3上，所述的搅拌工具绝缘层1和绝缘垫板3是将整个搅拌摩擦连接加工区域与搅拌摩擦设备绝缘，搅拌工具2则由主机驱动高速旋转并沿焊缝移动；所述的导电块6安装在导轨支撑座5上，导轨支撑座5在伺服电机8的驱动下在电动导轨4上运动，且导电块6与导轨支撑座5之间是绝缘的，以保证导电块6的电流不能传导到电动导轨4上，两个导电块6分别与脉冲电源9的正负极相连；所述的控制器10与伺服电机8相连，可以控制伺服电机8的运动，从而控制导轨支撑座5的运动。为了保证电致塑性效果，具体实施时，导电块6与待连接板材7接触时，最好与板材厚度中心位置相接触，如图2。

本发明未涉及部分现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）搅拌摩擦连接前，首先对待连接板材（7）进行预处理，将待连接板材（7）用砂纸打磨去除氧化层、用酒精和丙酮进行清洗，然后在待连接板材（7）的连接面上生长纳米晶的碳化钛薄膜（11）；

（2）碳化钛薄膜（11）生长完成后，将有碳化钛薄膜（11）的连接面对接装夹固定在绝缘垫板（3）上，同时根据待焊接板材的尺寸将电动导轨（4）固定在在绝缘垫板（3）上，保证导电块（6）在电动导轨（4）上滑动时，始终能与待连接板材（7）接触；

（3）将脉冲电源9的两个电极分别连接到两个导电块（6）上，设置脉冲电源（9）的参数、电动导轨（4）的移动参数和搅拌摩擦连接工艺参数；搅拌摩擦连接时，启动控制器（10），通上高密度脉冲电流，该电流流经待焊接板材（7）和连接区的碳化钛薄膜（11），产生大量焦耳热，该焦耳热效应与磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应耦合共同促进了连接区金属的位错运动，降低连接区的流动应力，再结合搅拌摩擦连接加工，能够获得组织细化的高质量连接焊缝，实现对高熔点合金的电致塑性效应搅拌摩擦连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的碳化钛薄膜（11）的微观结构状态是纳米晶，厚度为50-200纳米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米晶碳化钛薄膜（11）的制备方法可以是化学气相沉积，也可以是物理气相沉积，阴极放电，离子镀方法中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米晶碳化钛薄膜（11）不仅能大大提高电致塑性效应中的焦耳热效应，而且纳米晶碳化钛薄膜被搅拌工具搅拌破碎后形成的硬质颗粒对焊缝还能起到颗粒强化的效果。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米晶碳化钛薄膜也可以是其他电阻率较高的薄膜。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的导电块（6）与待连接板材（7）的接触位置始终保持在板材厚度的中心线位置，保证电致塑性效应对整个焊缝区域的作用。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的导电块（6）的运动方式，对于同种金属连接，两个导电块（6）的运动方式可以是与搅拌工具（2）保持在一条直线上同步运动；也可以是两个导电块（6）的对应的焊缝中心点与搅拌工具（2）在前进方向上保持一定距离，然后三者同步运动；对与异种金属连接，可以根据材料的种类，控制两个导电块（6）与搅拌工具（2）三者之间的运动。

8.一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接装置，其特征是它包括搅拌工具绝缘层（1）、搅拌工具（2）、绝缘垫板（3）、电动导轨（4）、导轨支撑座（5）、导电块（6）、待连接板材（7）、伺服电机（8）、脉冲电源（9）、控制器（10）和碳化钛薄膜（11）；待连接板材（7）的待连接面上均沉积有碳化钛薄膜（11），每个待连接板材未沉积碳化钛薄膜的一侧均安装有一个电动导轨（4），电动导轨（4）安装在绝缘垫板（3）上，所述的搅拌工具绝缘层（1）和绝缘垫板（3）是将整个搅拌摩擦连接加工区域与搅拌摩擦设备绝缘；所述的导电块（6）安装在导轨支撑座（5）上，导轨支撑座（5）在伺服电机（8）的驱动下在电动导轨（4）上运动，且导电块（6）与导轨支撑座（5）之间是绝缘的，两个导电块（6）分别与脉冲电源（9）的正负极相连；所述的控制器（10）与伺服电机（8）相连，可以控制伺服电机（8）的运动，从而控制导轨支撑座（5）的运动。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征是所述的导电块（6）与待连接板材（7）厚度中心位置相接触。