CN113245688B - 一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头。使用特殊成分的轴芯材料，保证了耐磨性、耐高温性、导热性和良好的刚性，从而使得轴芯的材料尤其适合于低碳钢的摩擦搅拌焊接；温度检测孔的加入使得在加热时一方面可以检测温度，另一方面可以避免加热时产应的形变导致内应力过大，损坏轴芯。设置了电磁加热线圈，使得在摩擦搅拌焊接的同时使用电磁加热线圈可以提高摩擦搅拌头的温度，在高温下摩擦搅拌焊接的低碳钢效果更好，降低低碳钢的形变；同时设置了较大的轴肩，保证良好固定效果，使得低碳钢变形更小；设置了温度检测孔，使用红外探头检测轴芯的温度，保证了加热和摩擦搅拌焊的温度控制具有较高的精度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头。
背景技术
低碳钢(mild steel)为碳含量低于0.25％的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。
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。
CN110102869A公开了一种搅拌摩擦焊用搅拌头材料及其制备方法，材料的成分为W-Re-ZrC，避免了应力集中。
现有技术中一般使用钨钼合金或者YG8等材料作为摩擦搅拌头的材料，但是由于低碳钢一般都比较软，且强度较低，因此在摩擦搅拌焊接中很容易发生变形。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，包括轴芯1、轴肩2、基座、线圈3、红外探头4和转速控制模块；
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：45～50％、Mo：30～35％、C：5～10％、Pt：5～8％、Al：3-5％、Re：1～2％、ZrC：1～2％、Co：1～2％：、Cr：1～2％；
轴芯1和轴肩2固定连接，轴肩2内设置有线圈3，线圈3表面设置有绝缘陶瓷涂层；线圈3缠绕轴芯1设置，使得线圈3产生的电磁场使得轴芯1发热；
轴芯1的直径和轴肩2的直径比为1：5～10；保证轴肩2的直径比轴芯1大很多，从而保证良好的稳定作用；轴芯1的尖端凸出轴肩2，轴芯1的尖端设置为球面，增加轴芯1与工件表面的接触面积；
轴芯1和轴肩2设置在基座上，基座设置有转速控制装置带动轴芯1和轴肩2转动；
轴芯1与基座连接的表面开设有温度检测孔，温度检测孔的轴线与轴芯1的轴线平行设置，且从轴芯1与基座连接的表面开设延伸至轴芯1内部；温度检测孔的外部设置红外探头4，从而使得温度检测孔内的红外线可以被红外探头4收集，以获得轴芯1内的温度。
温度检测孔包括中心温度检测孔5和边缘温度检测孔6，中心温度检测孔5的深度大于边缘温度检测孔6的深度；中心温度检测孔5的数量是一个，边缘温度检测孔6的数量为多个；
中心温度检测孔5设置于轴芯1中心，边缘温度检测孔6设置于轴芯1端面的边缘，且中心温度检测孔5的孔径大于边缘温度检测孔6的孔径，中心温度检测孔5用于检测轴芯1尖端附近的温度，边缘温度检测孔6用于检测轴芯1边缘的温度；
温度检测孔的开孔处被红外探头4封闭，从而保证了温度检测孔发出的光只被红外探头4收集，红外探头4不被外界杂散光影响。
线圈3的两端连接加热电源，加热电源驱动线圈3产生交变电场，交变电场使得轴芯1发热，轴芯1发热的最高温度达到1000℃。
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：45％、Mo：35％、C：5％、Pt：6％、Al：5％、Re：1％、ZrC：1％、Co：1％：、Cr：1％。
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：50％、Mo：30％、C：5％、Pt：5％、Al：3％、Re：2％、ZrC：2％、Co：2％：、Cr：1％。
一种所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：合成轴芯1；
按照质量百分比W：45～50％、Mo：30～35％、C：5～10％、Pt：5～8％、Al：3-5％、Re：1～2％、ZrC：1～2％、Co：1～2％：、Cr：1～2％；挑选原料，其中C为纳米碳量子点；在真空中将原料混合后进行熔融合成，得到轴芯1合金；合成后使用切削的方式将轴芯1加工成圆柱形，尖端切削成球面，球面的曲率半径是轴芯1半径的10-15倍；并且使用金刚石钻头在轴芯1端面钻好温度检测孔；
步骤2：轴芯1和轴肩2的连接；
将轴芯1固定，并在外侧设置线圈3，线圈3的表面涂覆有绝缘耐高温陶瓷涂层，保证线圈3之间的绝缘；之后将轴芯1和线圈3整体放入轴肩2的模具中，并在模具中浇筑成轴肩2，使得轴芯1、线圈3、轴肩2固定连接；轴肩2的材料选择熔点高于1500℃的耐高温金属材料；
步骤3，固定红外探头4；
将红外探头4安装到温度检测孔的开孔处，安装好后使用密封材料将温度检测孔与红外探头4之间的缝隙密封，红外探头4与温度检测孔之间设置有隔热圈，防止加热时轴芯1的高温影响红外探头4，产生损坏；
步骤4，连接其他配件；
将红外探头4连接至探头的检测配件，将线圈3连接至加热电源，将轴芯1和轴肩2安装到基座上，同时连接好转速控制模块，使得轴芯1和轴肩2在转速控制模块的控制下能够转动。
本发明的有益效果为：
低碳钢由于本身强度低、硬度低且比较软，在一般的摩擦搅拌焊接时容易变形，本发明使用特殊成分的轴芯材料，保证了耐磨性、耐高温性、导热性和良好的刚性，从而使得轴芯的材料尤其适合于低碳钢的摩擦搅拌焊接；W、Mo、Zr、Re元素使得轴芯具有很高的耐磨性和韧性；C、Pt、Al的加入使得轴芯具有较高的导电和导热性，且在线圈内更容易加热，Co和Cr的加入使得轴芯具有更好的硬度；温度检测孔的加入使得在加热时一方面可以检测温度，另一方面可以避免加热时产应的形变导致内应力过大，损坏轴芯。
设置了电磁加热线圈，使得在摩擦搅拌焊接的同时使用电磁加热线圈可以提高摩擦搅拌头的温度，在高温下摩擦搅拌焊接的低碳钢效果更好，降低低碳钢的形变；同时设置了较大的轴肩，保证良好固定效果，使得低碳钢变形更小；
设置了温度检测孔，使用红外探头检测轴芯的温度，保证了加热和摩擦搅拌焊的温度控制具有较高的精度。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明的整体架构示意图；
图2为本发明的摩擦搅拌头的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
如图2所示，一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，包括轴芯1、轴肩2、基座、线圈3、红外探头4和转速控制模块；
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：45～50％、Mo：30～35％、C：5～10％、Pt：5～8％、Al：3-5％、Re：1～2％、ZrC：1～2％、Co：1～2％：、Cr：1～2％；
轴芯1和轴肩2固定连接，轴肩2内设置有线圈3，线圈3表面设置有绝缘陶瓷涂层；线圈3缠绕轴芯1设置，使得线圈3产生的电磁场使得轴芯1发热；电磁加热线圈可以提高摩擦搅拌头的温度，在高温下摩擦搅拌焊接的低碳钢效果更好，降低低碳钢的形变。
轴芯1的直径和轴肩2的直径比为1：5～10；保证轴肩2的直径比轴芯1大很多，从而保证良好的稳定作用；轴芯1的尖端凸出轴肩2，轴芯1的尖端设置为球面，增加轴芯1与工件表面的接触面积；较大的轴肩，保证良好固定效果，使得低碳钢变形更小。
轴芯1和轴肩2设置在基座上，基座设置有转速控制装置带动轴芯1和轴肩2转动；
轴芯1与基座连接的表面开设有温度检测孔，温度检测孔的轴线与轴芯1的轴线平行设置，且从轴芯1与基座连接的表面开设延伸至轴芯1内部；温度检测孔的外部设置红外探头4，从而使得温度检测孔内的红外线可以被红外探头4收集，以获得轴芯1内的温度。使用红外探头检测轴芯的温度，保证了加热和摩擦搅拌焊的温度控制具有较高的精度，温度检测可以避免加热时产应的形变导致内应力过大，损坏轴芯。
温度检测孔包括中心温度检测孔5和边缘温度检测孔6，中心温度检测孔5的深度大于边缘温度检测孔6的深度；中心温度检测孔5的数量是一个，边缘温度检测孔6的数量为多个；
中心温度检测孔5设置于轴芯1中心，边缘温度检测孔6设置于轴芯1端面的边缘，且中心温度检测孔5的孔径大于边缘温度检测孔6的孔径，中心温度检测孔5用于检测轴芯1尖端附近的温度，边缘温度检测孔6用于检测轴芯1边缘的温度；
温度检测孔的开孔处被红外探头4封闭，从而保证了温度检测孔发出的光只被红外探头4收集，红外探头4不被外界杂散光影响。
线圈3的两端连接加热电源，加热电源驱动线圈3产生交变电场，交变电场使得轴芯1发热，轴芯1发热的最高温度达到1000℃。
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：45％、Mo：35％、C：5％、Pt：6％、Al：5％、Re：1％、ZrC：1％、Co：1％：、Cr：1％。
轴芯1的成分为，按质量百分比含有W：50％、Mo：30％、C：5％、Pt：5％、Al：3％、Re：2％、ZrC：2％、Co：2％：、Cr：1％。
轴芯材料具有良好的耐磨性、耐高温性、导热性和刚性，尤其适合于低碳钢的摩擦搅拌焊接，W、Mo、Zr、Re元素使得轴芯具有很高的耐磨性和韧性；C、Pt、Al的加入使得轴芯具有较高的导电和导热性，且在线圈内更容易加热，Co和Cr的加入使得轴芯具有更好的硬度。
一种所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：合成轴芯1；
按照质量百分比W：45～50％、Mo：30～35％、C：5～10％、Pt：5～8％、Al：3-5％、Re：1～2％、ZrC：1～2％、Co：1～2％：、Cr：1～2％；挑选原料，其中C为纳米碳量子点；在真空中将原料混合后进行熔融合成，得到轴芯1合金；合成后使用切削的方式将轴芯1加工成圆柱形，尖端切削成球面，球面的曲率半径是轴芯1半径的10-15倍；并且使用金刚石钻头在轴芯1端面钻好温度检测孔；
步骤2：轴芯1和轴肩2的连接；
将轴芯1固定，并在外侧设置线圈3，线圈3的表面涂覆有绝缘耐高温陶瓷涂层，保证线圈3之间的绝缘；之后将轴芯1和线圈3整体放入轴肩2的模具中，并在模具中浇筑成轴肩2，使得轴芯1、线圈3、轴肩2固定连接；轴肩2的材料选择熔点高于1500℃的耐高温金属材料；
步骤3，固定红外探头4；
将红外探头4安装到温度检测孔的开孔处，安装好后使用密封材料将温度检测孔与红外探头4之间的缝隙密封，红外探头4与温度检测孔之间设置有隔热圈，防止加热时轴芯1的高温影响红外探头4，产生损坏；
步骤4，连接其他配件；
将红外探头4连接至探头的检测配件，将线圈3连接至加热电源，将轴芯1和轴肩2安装到基座上，同时连接好转速控制模块，使得轴芯1和轴肩2在转速控制模块的控制下能够转动。
其中红外探头和温度检测孔组成了图1中的温度检测模块，线圈和加热电源形成了加热模块；温度检测模块和加热模块两者再结合转速控制模块共同连接至控制模块，对整个摩擦搅拌焊接进行控制。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，包括轴芯（1）、轴肩（2）、基座、线圈（3）、红外探头（4）和转速控制模块；其特征在于：
轴芯（1）的成分为，按质量百分比含有W：45~50%、Mo：30~35%、C：5~10%、Pt：5~8%、Al：3-5%、Re：1~2%、ZrC：1~2%、Co：1~2%、Cr：1~2%；
轴芯（1）和轴肩（2）固定连接，轴肩（2）内设置有线圈（3），线圈（3）表面设置有绝缘陶瓷涂层；线圈（3）缠绕轴芯（1）设置，使得线圈（3）产生的电磁场使得轴芯（1）发热；
轴芯（1）的直径和轴肩（2）的直径比为1：5~10；轴芯（1）的尖端凸出轴肩（2），轴芯（1）的尖端设置为球面，增加轴芯（1）与工件表面的接触面积；
轴芯（1）和轴肩（2）设置在基座上，基座设置有转速控制装置带动轴芯（1）和轴肩（2）转动；
轴芯（1）与基座连接的表面开设有温度检测孔，温度检测孔的轴线与轴芯（1）的轴线平行设置，且从轴芯（1）与基座连接的表面开设延伸至轴芯（1）内部；温度检测孔的外部设置红外探头（4），从而使得温度检测孔内的红外线可以被红外探头（4）收集，以获得轴芯（1）内的温度。
2.根据权利要求1所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，其特征在于：
温度检测孔包括中心温度检测孔（5）和边缘温度检测孔（6），中心温度检测孔（5）的深度大于边缘温度检测孔（6）的深度；中心温度检测孔（5）的数量是一个，边缘温度检测孔（6）的数量为多个；
中心温度检测孔（5）设置于轴芯（1）中心，边缘温度检测孔（6）设置于轴芯（1）端面的边缘，且中心温度检测孔（5）的孔径大于边缘温度检测孔（6）的孔径，中心温度检测孔（5）用于检测轴芯（1）尖端附近的温度，边缘温度检测孔（6）用于检测轴芯（1）边缘的温度；
温度检测孔的开孔处被红外探头（4）封闭，从而保证了温度检测孔发出的光只被红外探头（4）收集，红外探头（4）不被外界杂散光影响。
3.根据权利要求1所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，其特征在于：
线圈（3）的两端连接加热电源，加热电源驱动线圈（3）产生交变电场，交变电场使得轴芯（1）发热，轴芯（1）发热的最高温度达到1000℃。
4.根据权利要求1所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，其特征在于：
轴芯（1）的成分为，按质量百分比含有W：45%、Mo：35%、C：5%、Pt：6%、Al：5%、Re：1%、ZrC：1%、Co：1%、Cr：1%。
5.根据权利要求1所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头，其特征在于：
轴芯（1）的成分为，按质量百分比含有W：50%、Mo：30%、C：5%、Pt：5%、Al：3%、Re：2%、ZrC：2%、Co：2%、Cr：1%。
6.一种权利要求1所述的专门用于低碳钢的摩擦搅拌头的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：合成轴芯（1）；
按照质量百分比W：45~50%、Mo：30~35%、C：5~10%、Pt：5~8%、Al：3-5%、Re：1~2%、ZrC：1~2%、Co：1~2%、Cr：1~2%；挑选原料，其中C为纳米碳量子点；在真空中将原料混合后进行熔融合成，得到轴芯（1）合金；合成后使用切削的方式将轴芯（1）加工成圆柱形，尖端切削成球面，球面的曲率半径是轴芯（1）半径的10-15倍；并且使用金刚石钻头在轴芯（1）端面钻好温度检测孔；
步骤2：轴芯（1）和轴肩（2）的连接；
将轴芯（1）固定，并在外侧设置线圈（3），线圈（3）的表面涂覆有绝缘耐高温陶瓷涂层，保证线圈（3）之间的绝缘；之后将轴芯（1）和线圈（3）整体放入轴肩（2）的模具中，并在模具中浇筑成轴肩（2），使得轴芯（1）、线圈（3）、轴肩（2）固定连接；轴肩（2）的材料选择熔点高于1500℃的耐高温金属材料；
步骤3，固定红外探头（4）；
将红外探头（4）安装到温度检测孔的开孔处，安装好后使用密封材料将温度检测孔与红外探头（4）之间的缝隙密封，红外探头（4）与温度检测孔之间设置有隔热圈，防止加热时轴芯（1）的高温影响红外探头（4），产生损坏；
步骤4，连接其他配件；
将红外探头（4）连接至探头的检测配件，将线圈（3）连接至加热电源，将轴芯（1）和轴肩（2）安装到基座上，同时连接好转速控制模块，使得轴芯（1）和轴肩（2）在转速控制模块的控制下能够转动。
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Denomination of invention: A friction stir head specially used for low carbon steel Effective date of registration: 20221102 Granted publication date: 20211102 Pledgee: Ningbo Tianjin Enterprise Service Co.,Ltd. Pledgor: Ningbo Qiyun New Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980020428 |
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