CN111375646A - 一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超强丝材制备，更具体的说是一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法，包括搅拌头和丝材成形装置，可以将搅拌头连接在焊接设备的转动端，丝材成形装置连接在焊接设备上，搅拌头间隙配合在丝材成形装置内；搅拌头对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B挤入丝材成形装置内，通过出丝路径挤出形成丝材；主动轮和从动轮将从出丝路径排出的丝材顺利带出；经过搅拌头和丝材成形装置的作用，材料经过回复与再结晶后，材料的组织为较细的等轴晶粒，经过丝材成形装置挤出后，形成超塑超强的丝材；由于搅拌针的破碎材料作用，原材料的氧化物和油污都被破碎和蒸发。

Description

一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法
技术领域
本发明涉及超强丝材制备，更具体的说是一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法。
背景技术
目前还没有关于用搅拌摩擦焊制备丝材的案例，目前我国的制备中主要包括两种工艺，一种工艺是首先进行半连续铸造，然后进行挤压，最后拉拔成型。另一种工艺是首先进行连续铸造，然后进行连拉、连铸，最后拉拔成型。
第一种制备工艺具有稳定的制备质量，其丝材性能非常稳定，但该制备工艺却需要投入大量的资金与人力，并且涉及到的工序众多，对拉拔与挤压模具有着很高的消耗，并且会产生大量的废料，其成品率也比较低。第二种制备工艺虽然消耗的人力与资金较少、成品率较高、所涉及到的工序也较少，但制备的线材可塑性差，这会在一定程度上提高焊丝的拉拔难度。由于上述两种工艺所制备的焊丝在铸造后表面有一层氧化膜，因此在丝材被拉拔以后，还要对焊丝的表面进行相应的处理，不仅增加丝材制备的时间，同时制备成本也很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法，可以不产生氧化膜，因此可以进入到下一道工序加工直接拉拔成型，提高效率降低成本。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，包括搅拌头和丝材成形装置，所述搅拌头和焊接设备的转动端连接，丝材成形装置连接在焊接设备上，搅拌头间隙配合在丝材成形装置内，搅拌头对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料挤入丝材成形装置内挤出形成丝材。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，所述搅拌头包括加持端、圆柱配合面和搅拌针，加持端的下端固定连接有圆柱配合面，圆柱配合面的下端固定连接有搅拌针，加持端连接在焊接设备的转动端。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，所述丝材成形装置上设置有固定孔位、圆柱配合面A、材料储备和挤出区、圆柱配合面B和出丝路径，丝材成形装置通过固定孔位连接在焊接设备上，圆柱配合面A、材料储备和挤出区和圆柱配合面B同轴设置，圆柱配合面间歇配合在圆柱配合面A、材料储备和挤出区和圆柱配合面B内，材料储备和挤出区和出丝路径连通。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，所述圆柱配合面的直径为d，圆柱配合面A的直径为d1，材料储备和挤出区的直径为d2，材料储备和挤出区的高度为h，圆柱配合面B的直径为d3，丝材的直径为d’。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，所述d1＝d+0.01～0.02mm，d2＝d+3～5mm，h＝d’+1～5mm，d3＝d+0.2～0.8mm，d＝1.5～5d’mm。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，所述丝材成形装置还包括主动轮、电机、拉紧弹簧和从动轮，主动轮位于出丝路径出口的的上端，主动轮连接在电机的输出轴上，主动轮和从动轮之间固定连接有拉紧弹簧。
一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：搅拌头连接在焊接设备的转动端，丝材成形装置连接在焊接设备上，搅拌头间隙配合在丝材成形装置内；
步骤二：搅拌头对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B挤入丝材成形装置内，通过出丝路径挤出形成丝材；
步骤三：主动轮和从动轮将从出丝路径排出的丝材顺利带出。
本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法的有益效果为：
本发明一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置和方法，可以将搅拌头连接在焊接设备的转动端，丝材成形装置连接在焊接设备上，搅拌头间隙配合在丝材成形装置内；搅拌头对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B挤入丝材成形装置内，通过出丝路径挤出形成丝材；主动轮和从动轮将从出丝路径排出的丝材顺利带出；经过搅拌头和丝材成形装置的作用，材料经过回复与再结晶后，材料的组织为较细的等轴晶粒，经过丝材成形装置挤出后，形成超塑超强的丝材；由于搅拌针的破碎材料作用，原材料的氧化物和油污都被破碎和蒸发，使用这种方法制备的丝材不仅强度、塑性好，在后续的工序中不需要去除氧化物和油污，既高效又低成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置整体结构示意图；
图2是本发明的搅拌头结构示意图；
图3是本发明的丝材成形装置结构示意图；
图4是本发明的丝材成形装置剖视图结构示意图。
图中：搅拌头1；加持端101；圆柱配合面102；搅拌针103；丝材成形装置2；固定孔位201；圆柱配合面A202；材料储备和挤出区203；圆柱配合面B204；出丝路径205；主动轮206；电机207；拉紧弹簧208；从动轮209。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-4说明本实施方式，一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，包括搅拌头1和丝材成形装置2，所述搅拌头1和焊接设备的转动端连接，丝材成形装置2连接在焊接设备上，搅拌头1间隙配合在丝材成形装置2内，搅拌头1对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B204挤入丝材成形装置2内，通过出丝路径挤出形成丝材；主动轮206和从动轮209将从出丝路径排出的丝材顺利带出；经过搅拌头1和丝材成形装置的作用，材料经过回复与再结晶后，材料的组织为较细的等轴晶粒，经过丝材成形装置2挤出后，形成超塑超强的丝材；由于搅拌针103的破碎材料作用，原料的氧化物和油污都被破碎和蒸发，使用这种方法制备的丝材不仅强度、塑性好，在后续的工序中不需要去除氧化物和油污，既高效又低成本。
具体实施方式二：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述搅拌头1包括加持端101、圆柱配合面102和搅拌针103，加持端101的下端固定连接有圆柱配合面102，圆柱配合面102的下端固定连接有搅拌针103，加持端101连接在焊接设备的转动端。
具体实施方式三：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述丝材成形装置2上设置有固定孔位201、圆柱配合面A202、材料储备和挤出区203、圆柱配合面B204和出丝路径205，丝材成形装置2通过固定孔位201连接在焊接设备上，圆柱配合面A202、材料储备和挤出区203和圆柱配合面B204同轴设置，圆柱配合面102间歇配合在圆柱配合面A202、材料储备和挤出区203和圆柱配合面B204内，材料储备和挤出区203和出丝路径205连通。
具体实施方式四：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述圆柱配合面102的直径为d，圆柱配合面A202的直径为d1，材料储备和挤出区203的直径为d2，材料储备和挤出区203的高度为h，圆柱配合面B204的直径为d3，丝材的直径为d’；圆柱配合面102的直径d与待加工丝材的直径d’的关系为d＝1.5～5d’，圆柱配合面102的直径影响了搅拌头1作用区域的大小即材料卷入的丝材成形装置的多少，因此搅拌头1的圆柱配合面102的直径一定要大于丝材的直径，大概比例为1.5～5倍的关系，该比例影响出丝的速度，搅拌针103的针长为0.2～0.5d；搅拌针103的针长取值影响出丝速度和过程的稳定性，该取值范围保证了加工过程稳定。
具体实施方式五：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述d1＝d+0.01～0.02mm，d1的直径比d的直径略微大一点，可以减小材料储备和挤出区203的材料继续向上运；d2＝d+3～5mm，h＝d’+1～5mm，材料储备和挤出区203的高度中心与出丝路径205高度中心在同一平面；d3＝d+0.2～0.8mm，d＝1.5～5d’mm。搅拌针103与丝材配合装置2配合间隙为0.1mm～0.4mm，d3的直径比搅拌头1的圆柱配合面102直径大，可以保证经过搅拌针103搅拌细化的材料可以更多和顺利挤入到丝材成形装置2内；出丝路径205为挤入到的材料提供再挤压出口，从出丝路径205排出的材料就可以形成一定直径的丝材，出丝路径205的直径尺寸等于需求半成品丝材的直径d’；
具体实施方式六：
下面结合图1-4说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述丝材成形装置2还包括主动轮206、电机207、拉紧弹簧208和从动轮209，主动轮206位于出丝路径205出口的的上端，主动轮206连接在电机207的输出轴上，主动轮206和从动轮209之间固定连接有拉紧弹簧208；电机207带动主动轮206配合从动轮209将从出丝路径205排出的丝材顺利带出，拉紧弹簧208保证主动轮和从动轮209对丝材的有效带动，拉紧弹簧208的初始拉紧力为F＝P-KL其中P为最大载荷，K为弹簧常数，L为拉伸长度，送丝过程中的拉紧力为F+0.1～0.5N；本发明可以制备的丝材种类为各种金属丝材如铝合金、钢材、钛合金等，还可以制备高分子材料的丝材。
一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：搅拌头1连接在焊接设备的转动端，丝材成形装置2连接在焊接设备上，搅拌头1间隙配合在丝材成形装置2内；
步骤二：搅拌头1对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B204挤入丝材成形装置2内，通过出丝路径205挤出形成丝材；
步骤三：主动轮206和从动轮209将从出丝路径205排出的丝材顺利带出。
例如制造一种用于5系铝合金焊接的焊丝牌号铝合金焊丝5356，这种焊丝制备半成品丝材直径为5mm，需要的板材成分化学成分及各个成分的质量百分数为：Mg：4.50～5.50％，Mn：0.05～0.20％，Ti：0.06～0.20％，Cr：0.05～0.20％，Fe≤0.25％，Si≤0.25％，其它杂质元素总量≤0.15％，单个杂质元素含量≤0.05％，余量为Al。
选择搅拌头1的圆柱配合面102直径为7.5mm，搅拌针103针长为2mm；
丝材成形装置2的对应圆柱配合面A202直径为7.52mm，材料储备和挤出区203的直径为10.5mm，对应圆柱配合面B204的直径为8mm。出丝路径205的直径为5mm,拉紧弹簧208对出丝的拉紧力为1.1N。
将搅拌头1和丝材成形装置2配合装配在焊接设备上，焊接参数设定为：焊接速度为300～2000mm/min，搅拌头转速为1000～3000rpm，焊接倾角为0.5～3°，该实施例选择参数为焊接速度500mm/min，转速为1500rpm，焊接倾角为1°。
开始焊接制作丝材，当焊具在板材/铸锭开始焊接一段距离后，出丝路径开始出丝材，产出的丝材在主动轮206的带动和从动轮209的配合下将焊丝带动出，形成半成品丝材。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，包括搅拌头(1)和丝材成形装置(2)，其特征在于：所述搅拌头(1)和焊接设备的转动端连接，丝材成形装置(2)连接在焊接设备上，搅拌头(1)间隙配合在丝材成形装置(2)内，搅拌头(1)对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料挤入丝材成形装置(2)内挤出形成丝材。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，其特征在于：所述搅拌头(1)包括加持端(101)、圆柱配合面(102)和搅拌针(103)，加持端(101)的下端固定连接有圆柱配合面(102)，圆柱配合面(102)的下端固定连接有搅拌针(103)，加持端(101)连接在焊接设备的转动端。
3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，其特征在于：所述丝材成形装置(2)上设置有固定孔位(201)、圆柱配合面A(202)、材料储备和挤出区(203)、圆柱配合面B(204)和出丝路径(205)，丝材成形装置(2)通过固定孔位(201)连接在焊接设备上，圆柱配合面A(202)、材料储备和挤出区(203)和圆柱配合面B(204)同轴设置，圆柱配合面(102)间歇配合在圆柱配合面A(202)、材料储备和挤出区(203)和圆柱配合面B(204)内，材料储备和挤出区(203)和出丝路径(205)连通。
4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，其特征在于：所述圆柱配合面(102)的直径为d，圆柱配合面A(202)的直径为d1，材料储备和挤出区(203)的直径为d2，材料储备和挤出区(203)的高度为h，圆柱配合面B(204)的直径为d3，丝材的直径为d’。
5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，其特征在于：所述d1＝d+0.01～0.02mm，d2＝d+3～5mm，h＝d’+1～5mm，d3＝d+0.2～0.8mm，d＝1.5～5d’mm。
6.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的装置，其特征在于：所述丝材成形装置(2)还包括主动轮(206)、电机(207)、拉紧弹簧(208)和从动轮(209)，主动轮(206)位于出丝路径(205)出口的的上端，主动轮(206)连接在电机(207)的输出轴上，主动轮(206)和从动轮(209)之间固定连接有拉紧弹簧(208)。
7.一种搅拌摩擦焊制备超塑超强丝材的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：搅拌头(1)连接在焊接设备的转动端，丝材成形装置(2)连接在焊接设备上，搅拌头(1)间隙配合在丝材成形装置(2)内；
步骤二：搅拌头(1)对丝材原料进行搅拌摩擦焊加工，搅拌摩擦焊加工完成的丝材原料通过圆柱配合面B(204)挤入丝材成形装置(2)内，通过出丝路径(205)挤出形成丝材；
步骤三：主动轮(206)和从动轮(209)将从出丝路径(205)排出的丝材顺利带出。
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CN114799177A (zh) * 2022-04-23 2022-07-29 哈尔滨工业大学 一种成分可控搅拌摩擦挤压制备合金丝棒材的方法及装置
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