CN111922507A - 一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头 - Google Patents

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雷君
李和鑫
江明杰
王彬彬
黄红卫
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    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
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Abstract

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头。本发明的搅拌摩擦焊用复合搅拌头由搅拌针、轴肩以及夹持部构成，所述搅拌针与轴肩一体成型，所述搅拌针与轴肩均为聚晶立方氮化硼；所述夹持部与轴肩焊接连接或者烧结固结连接，所述夹持部为硬质合金。本发明的复合搅拌头中，采用具有红硬性以及耐磨性的PCBN作为搅拌针，提高了搅拌头的耐高温以及耐磨性，并且保证了搅拌头的使用寿命；同时搅拌针与轴肩一体化设计使得搅拌头在作业时的热量容易散出；PCBN和硬质合金两种特点的超硬材料结合起来，使得搅拌头具有较高的韧性。

Description

一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头
技术领域
本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是一种新型的固态焊接工艺，在焊接过程中不会发生材料熔化的现象，并且焊接后残余应力小。搅拌摩擦焊过程中所用搅拌头的选择直接影响焊接效果，在焊接钛合金、镍基合金等高熔点合金时需要采用较高热性能和机械性能的材料如硬质合金、聚晶立方氮化硼(PCBN)等制成的搅拌头。PCBN搅拌头在加载巨大扭力条件下易发生脆性断裂，并且整体PCBN搅拌头的生产费用高，价格昂贵。而合金材料(硬质合金)的成本较低，抗弯强度和抗冲击性能都优于PCBN，但是合金材料在高速旋转焊接条件下红硬性差，尤其是加工钢件等硬度较高的材料时，极大的限制了焊接效率。
公布号为CN108115263A的中国发明专利申请文件中公开了一种搅拌摩擦焊用搅拌头，包括一体成型的硬质合金夹持柄以及硬质合金轴肩、焊接在硬质合金轴肩上的聚晶立方氮化硼搅拌针。该搅拌头的使用寿命有所提高，但是聚晶立方氮化硼搅拌针与硬质硬质合金轴肩为两种不同的材料并且是焊接在一起的，搅拌摩擦焊过程中，硬质合金轴肩和搅拌针高速旋转，会产生局部高温，导致硬质合金轴肩快速磨损且易产生变形，从而使焊接质量变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头，该搅拌头耐高温、耐磨损且韧性较强，有效提高了焊接质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头由搅拌针、轴肩以及夹持部构成，所述搅拌针与轴肩一体成型，所述搅拌针与轴肩均为聚晶立方氮化硼；所述夹持部与轴肩焊接连接或者烧结固结连接，所述夹持部为硬质合金。
本发明的搅拌摩擦焊用复合搅拌头中，采用具有红硬性以及耐磨性的PCBN作为搅拌针，提高了搅拌头的耐高温以及耐磨性，并且保证了搅拌头的使用寿命。同时搅拌针以及轴肩一体化设计保证了搅拌针和轴肩在高温条件下的耐磨性，解决了传统硬质合金搅拌针或轴肩不耐热、不耐磨、寿命低的问题。
同时，本发明的搅拌摩擦焊用复合搅拌头中，将PCBN和硬质合金两种特点的超硬材料结合起来，使得搅拌头具备硬质合金的韧性，从而解决PCBN抗冲击性能低的问题；并且在搅拌头中只有轴肩以及搅拌针为PCBN，降低了原材料的成本和合成难度，同时能够保证搅拌头的强度以及硬度，极大地降低了生产成本，有利于产品的市场推广。
夹持部与轴肩的连接由包括以下步骤的方法形成：夹持部与轴肩烧结固结连接，具体制备方法包括以下步骤：(a)立方氮化硼与粘结剂混合后得复合粉；(b)将复合粉与硬质合金加压烧结。采用烧结的方式将PCBN以及硬质合金复合在一起，一次成型，能够有效提高两种材料之间的界面强度，从而进一步提高复合搅拌头的耐高温性。
夹持部与轴肩焊接连接，具体制备方法包括以下步骤：(a)将立方氮化硼与粘结剂混合后形成复合粉；(b)然后对复合粉进行加压烧结得搅拌针和轴肩一体半成品；(c)将搅拌针和轴肩一体半成品与夹持部焊接在一起。加压烧结直接得到的搅拌针和轴肩一体半成品表面粗糙，直接焊接会影响与夹持部的结合强度，因此优选的先对搅拌针和轴肩一体半成品进行经精细加工如平磨、抛光、激光切割等，具体过程可根据实际需要进行调整只要保证得到的搅拌针和轴肩一体半成品表面光滑，即可。
所述焊接在10-6～10-1Pa的真空度以及850℃～1000℃的温度下进行。
夹持部所用硬质合金为现有技术中常用的硬质合金。优选的，所述硬质合金为钨钴类硬质合金，如YG8等。在夹持部与轴肩烧结固结连接时，钨钴类硬质合金中的钴在烧结过程中与立方氮化硼发生界面化学反应形成BCo化合物，提高两种材料之间的粘结强度。
为提高复合搅拌头在使用过程中结构稳定性，所述夹持部与轴肩相接的端面为平面、凹面或凸面。相应的，轴肩与夹持部相接的端面与之相匹配。优选的，所述凹面为V型凹面，凸面为倒V型凸面。
所述复合粉中立方氮化硼的质量百分比为60～95％，粘结剂的质量百分比为5～40％。优选的，所述粘结剂为钴、钛、铝、镍、钨、氧化铝、氮化钛、碳化钛、氮化铝、碳氮化铝、碳氮化钛中的一种或几种。立方氮化硼的粒度为3-8μm，粘结剂的粒度不大于1μm。
进一步优选的，复合粉中立方氮化硼的质量百分比为80～85％，粘结剂的质量百分比为15～20％。进一步优选的，所述粘结剂为铝、氧化铝和氮化钛。
加压烧结均在常规的PCBN制品烧结设备六面顶压机中进行，工序简单。优选的，所述加压烧结在5～7GPa、1200～1500℃条件下进行。
附图说明
图1为本发明的实施例1中搅拌摩擦焊复合搅拌头的结构示意图；
图2为本发明的实施例2中搅拌摩擦焊复合搅拌头的结构示意图；
图3为本发明的实施例3中搅拌摩擦焊复合搅拌头的结构示意图；
附图标记：1-搅拌针；2-轴肩；3-夹持部；4-轴肩与夹持部的连接处。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
以下实施例中所用硬质合金为钨钴类硬质合金YG8，其中碳化钨与钴的质量比为92：8，购买于株洲硬质合金。立方氮化硼的粒度为3-8μm，粘结剂的粒度不大于1μm。
实施例1
本实施例的搅拌摩擦焊复合搅拌头，结构如图1所示，由搅拌针1、轴肩2以及夹持部3构成，其中搅拌针与轴肩一体成型，夹持部与轴肩通过烧结固结连接，具体由以下方法制得：
(1)将立方氮化硼和粘结剂(由铝、氧化铝以及氮化钛按照5:4:6的质量比混合而成)分别按照85％、15％的质量比混合得复合粉，然后对复合粉高能球磨600min使得复合粉中各成分均匀混合；
(2)将复合粉与硬质合金预压组装，预压组装的条件为500MPa；然后在5.5GPa、1350℃的条件下进行烧结，得毛坯；
(3)将毛坯进行研磨抛光，采用激光精细加工搅拌针，即得PCBN/硬质合金复合搅拌头。
实施例2
本实施例的搅拌摩擦焊复合搅拌头，其结构如图2所示，由搅拌针1、轴肩2以及夹持部3构成，其中搅拌针与轴肩一体成型，夹持部与轴肩连接处4通过焊接形成，其中夹持部与轴肩相接的端面为V型凹面；
具体由以下方法制得：
(1)将立方氮化硼和粘结剂(由钴、铝以及氧化铝按照5:10:25的质量比混合而成)分别按照60％、40％的比例混合得复合粉，然后对复合粉高能球磨600min使得复合粉中各成分均匀混合；然后在6GPa、1300℃的条件下进行烧结，得厚度为10mm厚的毛坯；
(2)将毛坯进行平磨、抛光，之后采用激光精细加工，得搅拌针和轴肩一体半成品；
(3)在真空度为≤2*10-3Pa以及750℃的温度下将搅拌针和轴肩一体半成品与硬质合金夹持部进行真空钎焊，然后使用砂轮对其进行磨削加工，即得。
实施例3
本实施例的搅拌摩擦焊复合搅拌头，结构如图3所示，由搅拌针1、轴肩2以及夹持部3构成，其中搅拌针与轴肩一体成型，夹持部与轴肩连接处4通过焊接形成，其中夹持部与轴肩相接的端面为倒V型的凸面；
具体由以下方法制得：
(1)将立方氮化硼和粘结剂(由钛以及碳化铝按照3:3的质量比混合而成)分别按照94％、6％的比例混合得复合粉，然后对复合粉高能球磨600min使得复合粉中各成分均匀混合；然后在5GPa、1250℃的条件下进行烧结，得厚度为10mm厚的毛坯；
(2)将毛坯进行平磨、抛光，之后采用激光精细加工，得搅拌针和轴肩一体半成品；
(3)在真空度为≤2*10-3Pa以及750℃的温度下将搅拌针和轴肩一体半成品与硬质合金夹持柄焊接在一起，然后使用砂轮对其进行磨削加工，即得。
试验例1
本试验例采用实施例1中的搅拌摩擦焊复合搅拌头对高碳钢进行焊接测试，焊接测试时的转速为800rpm，前进速度45mm/min。测试结果表明样品线性焊长度达到11.5m，超过常规碳化钨/钴硬质合金搅拌头焊接寿命(焊接长度小于1.5m，最优时为2m)。采用万能试验机进行抗弯强度测试，实施例1中的搅拌头抗弯强度5000N，硬质合金搅拌头抗弯强度2800N。
试验例2
本试验例采用实施例2中的搅拌摩擦焊复合搅拌头对高碳钢进行焊接测试，焊接测试时的转速为800rpm，前进速度45mm/min。测试结果表明样品线性焊长度达到10m，超过常规碳化钨/钴硬质合金搅拌头焊接寿命(焊接长度小于1.5m，最优时为2m)。采用万能试验机进行抗弯强度测试，实施例1中的搅拌头抗弯强度4500N，硬质合金搅拌头抗弯强度2800N。
试验例3
本试验例采用实施例3中的搅拌摩擦焊复合搅拌头对高碳钢进行焊接测试，焊接测试时的转速为800rpm，前进速度45mm/min。测试结果表明样品线性焊长度达到13m，超过常规碳化钨/钴硬质合金搅拌头焊接寿命(焊接长度小于1.5m，最优时为2m)。采用万能试验机进行抗弯强度测试，实施例1中的搅拌头抗弯强度5750N，硬质合金搅拌头抗弯强度2800N。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，由搅拌针、轴肩以及夹持部构成，所述搅拌针与轴肩一体成型，所述搅拌针与轴肩均为聚晶立方氮化硼；所述夹持部与轴肩焊接连接或者烧结固结连接，所述夹持部为硬质合金。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述夹持部与轴肩烧结固结连接，具体制备方法包括以下步骤：
(a)立方氮化硼与粘结剂混合后得复合粉；
(b)将复合粉与硬质合金组装后进行加压烧结。
3.据权利要求1所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述夹持部与轴肩焊接连接，具体制备方法包括以下步骤：
(a)将立方氮化硼与粘结剂混合后形成复合粉；
(b)然后对复合粉进行加压烧结得搅拌针和轴肩一体半成品；
(c)将搅拌针和轴肩一体半成品与硬质合金焊接在一起。
4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述焊接在10-6～10- 1Pa的真空度以及850℃～1000℃的温度下进行。
5.根据权利要求1～4任一项所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述硬质合金为钨钴类硬质合金。
6.根据权利要求1～4任一项所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述夹持部与轴肩相接的端面为平面、凹面或凸面。
7.根据权利要求2或3所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述复合粉中立方氮化硼的质量百分比为60～95％，粘结剂的质量百分比为5～40％。
8.根据权利要求2或3所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述粘结剂为钴、钛、铝、镍、钨、氧化铝、氮化钛、碳化钛、氮化铝、碳氮化铝、碳氮化钛中的一种或几种。
9.根据权利要求2或3所述的搅拌摩擦焊用复合搅拌头，其特征在于，所述加压烧结的压力为5～7GPa，时间为1200～1500℃。
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