CN112719817A - 一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头及其加工方法，属于搅拌摩擦焊技术领域，包括分体连接的夹持柄、搅拌针和紧固螺栓，夹持柄中心有阶梯盲孔，夹持柄侧面有紧固螺纹孔，搅拌针为阶梯轴结构，搅拌针的阶梯轴部位于搅拌头阶梯盲孔内，搅拌针通过紧固螺栓固定在夹持柄阶梯盲孔内，夹持柄轴肩及搅拌针表面均设有螺旋形耐磨条纹涂层；本发明通过在轴肩及搅拌针表面熔覆耐磨涂层，大大提高搅拌头耐磨性能，提高其使用寿命，并使其可用于高硬度、高强度、高熔点、大厚度材料焊接场合，扩大应用范围，而螺旋形条纹可增加搅拌摩擦焊过程中材料流动性，提高焊缝强度和焊接质量，另外分体式结构可单独更换搅拌针，经济性好。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头及其加工方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁金等低熔点金属材料焊接中，随着搅拌摩擦焊技术的发展和推广，铁基合金、钛合金、镍基合金等高熔点金属的搅拌摩擦焊技术也开始有所应用。
但是在高硬度、高强度、高熔点、大厚度材料的搅拌摩擦焊过程中，常规工、模具钢搅拌头的磨损较快，特别是搅拌针相对于轴肩有更严重的磨损，严重影响到搅拌头寿命及在这些场合的应用。钨-铼合金和聚晶立方氮化硼搅拌头可以满足硬质合金材料的搅拌摩擦焊接需要，但其材料昂贵，且难以进行机械加工，因此导致钨-铼合金和聚晶立方氮化硼搅拌头制造成本很高。因此，我们提出一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头及其加工方法。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头及其加工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头，包括分体连接的夹持柄、搅拌针和紧固螺栓，所述夹持柄中心有阶梯盲孔，夹持柄侧面有紧固螺纹孔，所述搅拌针为阶梯轴结构，搅拌针的阶梯轴部位于搅拌头阶梯盲孔内，搅拌针通过紧固螺栓固定在夹持柄阶梯盲孔内，夹持柄、搅拌针可用异种材料，另外更换不同长度搅拌针可用于不同厚度板材焊接，提高搅拌头通用性，此外搅拌针相对夹持柄磨损更大，寿命更短，搅拌针磨损失效后，只需更换搅拌针，不需要像一体式搅拌头那样整体更换搅拌头，经济性更好，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面均设有螺旋形耐磨条纹涂层，通过在轴肩及搅拌针表面熔覆耐磨条纹涂层，大大提高搅拌头耐磨性能，提高搅拌头使用寿命，并使其可用于高硬度、高强度、高熔点、大厚度材料焊接场合，扩大应用范围，另外螺旋形条纹可增加搅拌摩擦焊过程中材料流动性，提高焊缝强度和焊接质量。
本发明还提供了一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，通过同轴送粉激光熔覆技术在夹持柄轴肩和搅拌针表面熔覆一层螺旋形耐磨条纹涂层，具体包括以下步骤：
步骤S1：将经过热处理的模具钢材料通过锻造和机械加工分别制造出夹持柄和搅拌针；
步骤S2：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌头轴肩表面熔覆螺旋形耐磨条纹涂层，熔覆时夹持柄旋转，同时激光沿轴肩径向扫描，通过控制夹持柄旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S3：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌针表面熔覆螺旋形耐磨条纹涂层，熔覆时搅拌针旋转，同时激光沿搅拌针轴向扫描，通过控制搅拌针旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S4：通过紧固螺栓将熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式夹持柄、搅拌针组装成搅拌头。
作为本发明的进一步优化方案，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层为单螺旋或多螺旋、右旋或左旋的不同组合。
作为本发明的进一步优化方案，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层的材料为硬质合金涂层或NiCr-Cr3C2复合涂层。
作为本发明的进一步优化方案，所述螺旋形耐磨条纹涂层横截面为圆弧状，宽度为1-5mm，高度为0.1-1.5mm。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S1中模具钢材料为H13钢。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过在轴肩及搅拌针表面熔覆耐磨条纹涂层，大大提高搅拌头耐磨性能，提高搅拌头使用寿命，并使其可用于高硬度、高强度、高熔点、大厚度材料焊接场合，扩大应用范围；
2、本发明在常规工、模具钢材料搅拌头及搅拌针表面通过激光熔覆耐磨条纹涂层，就能达到难以进行机械加工、成本很高的钨-铼合金和聚晶立方氮化硼搅拌头的使用效果，经济性好；
3、本发明轴肩表面的螺旋形条纹结构，增大轴肩与工作表面摩擦产热作用，可用来焊接更厚的工件，而搅拌针表面的螺旋形条纹结构，增大搅拌摩擦焊过程中搅拌针接触面积及材料的流动性，提高焊缝强度和焊接质量；
4、本发明通过搅拌针可拆装分体式搅拌头结构，搅拌头、搅拌针可用异种材料，另外更换不同长度搅拌针可用于不同厚度板材焊接，提高搅拌头通用性，此外搅拌针相对搅拌头磨损更大，寿命更短，搅拌针磨损失效后，只需更换搅拌针，不需要像一体式搅拌头那样整体更换搅拌头，经济性更好。
附图说明
图1是本发明一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头剖面结构示意图；
图2是本发明一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的轴肩仰面示意图。
图中：1、夹持柄；2、轴肩；3、搅拌针；4、耐磨条纹涂层；5、紧固螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，通过同轴送粉激光熔覆技术在夹持柄轴肩和搅拌针表面熔覆一层螺旋形耐磨条纹硬质合金涂层，具体包括以下步骤：
步骤S1：将经过热处理的H13钢材料通过锻造和机械加工分别制造出夹持柄和搅拌针，如图1所示，夹持柄中心有阶梯盲孔，夹持柄侧面有紧固螺纹孔，搅拌针为阶梯轴结构；
步骤S2：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌头轴肩表面熔覆螺旋形耐磨条纹硬质合金涂层，熔覆时夹持柄旋转，同时激光沿轴肩径向扫描，通过控制夹持柄旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S3：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌针表面熔覆螺旋形耐磨条纹硬质合金涂层，熔覆时搅拌针旋转，同时激光沿搅拌针轴向扫描，通过控制搅拌针旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S4：通过紧固螺栓将熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式夹持柄、搅拌针组装成搅拌头，搅拌针的阶梯轴部位于夹持柄阶梯盲孔内，搅拌针通过紧固螺栓固定在夹持柄阶梯盲孔内，小阶梯轴部位侧面铣平，用于紧固螺栓轴向定位，并防止夹持柄与搅拌头相对转动。
其中，如图2所示，夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层为单螺旋或多螺旋、右旋或左旋的不同组合；螺旋形耐磨条纹涂层横截面为圆弧状，宽度为1-5mm，高度为0.1-1.5mm。
实施例2
一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，通过同轴送粉激光熔覆技术在夹持柄轴肩和搅拌针表面熔覆一层螺旋形耐磨条纹NiCr-Cr3C2复合涂层，具体包括以下步骤：
步骤S1：将经过热处理的H13钢材料通过锻造和机械加工分别制造出夹持柄和搅拌针，如图1所示，夹持柄中心有阶梯盲孔，夹持柄侧面有紧固螺纹孔，搅拌针为阶梯轴结构；
步骤S2：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌头轴肩表面熔覆螺旋形耐磨条纹NiCr-Cr3C2复合涂层，熔覆时夹持柄旋转，同时激光沿轴肩径向扫描，通过控制夹持柄旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S3：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌针表面熔覆螺旋形耐磨条纹NiCr-Cr3C2复合涂层，熔覆时搅拌针旋转，同时激光沿搅拌针轴向扫描，通过控制搅拌针旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S4：通过紧固螺栓将熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式夹持柄、搅拌针组装成搅拌头，搅拌针的阶梯轴部位于夹持柄阶梯盲孔内，搅拌针通过紧固螺栓固定在夹持柄阶梯盲孔内，小阶梯轴部位侧面铣平，用于紧固螺栓轴向定位，并防止夹持柄与搅拌头相对转动。
其中，如图2所示，夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层为单螺旋或多螺旋、右旋或左旋的不同组合；螺旋形耐磨条纹涂层横截面为圆弧状，宽度为1-5mm，高度为0.1-1.5mm。
对比例1相对于实施例2，仅耐磨涂层设置为竖直条纹状，宽度为1-5mm，高度为0.1-1.5mm。
对比例2采用钨-铼合金制的搅拌头，对实施例1和2以及对比例1和2加工制成的搅拌头进行显微硬度测试和摩擦磨损性能测试试验，显微硬度测试采用HVS-1000维氏显微硬度测试计测试硬度，摩擦磨损性能测试采用高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损性能测试，试验形式为销盘磨损，磨损时间为20min，转速400r/min，载荷200N，利用显微镜观察表面形貌并计算磨损失重量。
试验数据结果如表1所示：
表1实施例和对比例的显微硬度测试和摩擦磨损性能结果
通过表1的数据可以看出，常规工、模具钢采用激光熔覆螺旋形耐磨条纹形状的硬质合金或NiCr-Cr3C2复合涂层，以及激光熔覆竖直条纹状的NiCr-Cr3C2复合涂层，使得搅拌头硬度和耐磨水平接近钨-铼合金制搅拌头硬度和耐磨水平，说明激光熔覆硬质合金或NiCr-Cr3C2复合涂层涂层提高了搅拌头的硬度，通过对比例1和实施例2的数据可看出，激光熔覆螺旋形耐磨条纹NiCr-Cr3C2复合涂层的耐磨效果相对于激光熔覆竖直状耐磨条纹NiCr-Cr3C2复合涂层的耐磨效果要好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，包括分体连接的夹持柄、搅拌针和紧固螺栓，所述夹持柄中心有阶梯盲孔，夹持柄侧面有紧固螺纹孔，所述搅拌针为阶梯轴结构，搅拌针的阶梯轴部位于搅拌头阶梯盲孔内，搅拌针通过紧固螺栓固定在夹持柄阶梯盲孔内，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面均设有螺旋形耐磨条纹涂层。
2.一种如权利要求1所述的激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，其特征在于，通过同轴送粉激光熔覆技术在夹持柄轴肩和搅拌针表面熔覆一层螺旋形耐磨条纹涂层，具体包括以下步骤：
步骤S1：将经过热处理的模具钢材料通过锻造和机械加工分别制造出夹持柄和搅拌针；
步骤S2：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌头轴肩表面熔覆螺旋形耐磨条纹涂层，熔覆时夹持柄旋转，同时激光沿轴肩径向扫描，通过控制夹持柄旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S3：采用同轴送粉激光熔覆技术在搅拌针表面熔覆螺旋形耐磨条纹涂层，熔覆时搅拌针旋转，同时激光沿搅拌针轴向扫描，通过控制搅拌针旋转速度和激光扫描速度控制旋形耐磨条纹螺距；
步骤S4：通过紧固螺栓将熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式夹持柄、搅拌针组装成搅拌头。
3.根据权利要求2所述的一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，其特征在于，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层为单螺旋或多螺旋、右旋或左旋的不同组合。
4.根据权利要求2所述的一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，其特征在于，所述夹持柄轴肩及搅拌针表面螺旋形耐磨条纹涂层的材料为硬质合金涂层或NiCr-Cr3C2复合涂层。
5.根据权利要求2所述的一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，其特征在于，所述螺旋形耐磨条纹涂层横截面为圆弧状，宽度为1-5mm，高度为0.1-1.5mm。
6.根据权利要求2所述的一种激光熔覆螺旋形耐磨条纹涂层的分体式搅拌摩擦焊搅拌头的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中模具钢材料为H13钢。
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