CN113751858A - 一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其解决了传统搅拌摩擦隧道成形过程中，隧道体积小、成形不稳定、成形位置贴近板材表面的技术问题，利用双轴肩搅拌摩擦焊隧道加工装置的双螺纹结构使金属板材中心材料分别向外部流动以实现隧道在板材中心部位成形；双轴肩端面的平面与涡状线槽交替结构，在实现双轴肩对金属板材上下表面的压紧作用的同时使得金属材料在金属板材上下表面堆积并实现焊合，从而保证表面成形质量；利用双面加工凹槽解决金属板材内部材料导出，配合辅助加热装置改善材料的流动性，最终在金属板材内部形成体积较大、表面质量优异的连续隧道。本发明可广泛应用于中厚板搅拌摩擦隧道成形技术领域。

Description

一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地说，是涉及一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法。

背景技术

随着科技的进步和材料工业的不断发展，成本更低、效率高、易于制造的热交换装置及冷却系统在汽车和航空航天领域广泛应用。隧道加工工艺可以提供更高的表面积与体积比，故在热交换装置中可以实现更高的传热速率并缩小装置体积实现轻量化要求，所以隧道加工技术有望成为新一代高产热设备冷却系统要求的解决方案之一。目前隧道加工技术有电子束加工(价格昂贵、加工率低)、激光加工(价格昂贵、加工率低)、电火花线切割加工(加工率低)等，且以上加工方法均需在两块基板表面加工出通道后再对两块板材进行焊接，工艺复杂繁琐。

搅拌摩擦隧道成形技术(Friction stir channeling，简称FSC)是基于搅拌摩擦焊(Friction stir welding，简称FSW)发展衍生出的一种在铝合金材料上制造连续通道的高效加工技术。搅拌摩擦焊接过程中，当参数选择不当时，在焊缝内部容易出现孔洞缺陷，当孔洞缺陷沿着焊缝方向连续分布时便在工件内部形成隧道缺陷。搅拌摩擦隧道成形技术作为一种新型的固相加工工艺，利用高速旋转的搅拌摩擦隧道加工工具插入工件表面，通过螺纹与旋转方向的配合将工件内部材料导出，同时将工件上部的金属焊合封闭，在工件内部形成连续、非线性的隧道，该技术在结构内部减重、内部布线孔道及内部液冷流道的快速成形等方面有广泛应用前景。将传统搅拌摩擦工具及静轴肩搅拌摩擦工具应用于FSC技术时，常出现所加工出的隧道体积小、隧道成形不稳定、成形位置贴近板材表面等技术问题，这将对板材的散热效率及耐蚀性产生一定的影响，具有一定的局限性。

美国专利US6923362 B2最先公开了搅拌摩擦隧道成形技术，其采用传统搅拌摩擦焊具，控制焊具轴肩与板材表面有一定空隙，在焊具前进过程中，板材内部材料沿搅拌头螺纹向上流动并从孔隙中排出，但在加工后的工件表面会有一定厚度的堆积金属，由于轴肩并没有压紧板材，所以焊缝表面成形质量较低。

英国专利WO2018083438 A1公开了一种静轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，该方法采用静轴肩搅拌摩擦焊具代替传统搅拌摩擦焊具，加工过程中轴肩压紧板材，并在静止轴肩上开孔以导出所挤金属，解决了材料导出问题，同时保证了焊缝表面成形良好，但所加工的隧道体积较小且隧道加工位置贴近板材表面，应用于中厚板大体积隧道加工时存在一定的限制。

中国专利CN112548314A公开了一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，该方法通过在隧道成形的焊接路径上预制凹槽，使焊缝内部材料在搅拌向上流动，在保证轴肩压紧作用下焊缝表面成形质量的同时解决了工件内部材料导出问题，在焊缝内部形成贯通的隧道。但该方法对中厚板隧道体积及成形位置的改善效果有限。

发明内容

本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其利用双轴肩搅拌摩擦焊隧道加工装置，进行搅拌摩擦隧道成形加工，双轴肩搅拌摩擦焊隧道加工装置的双螺纹结构使金属板材中心材料分别向外部流动以实现隧道在板材中心部位成形，双轴肩端面的平面与涡状线槽交替结构，在实现双轴肩对金属板材上下表面的压紧作用的同时使得金属材料在金属板材上下表面堆积并实现焊合，从而保证表面成形质量。利用加工路径上预制的双面凹槽解决金属板材内部材料导出，通过双轴肩与金属板材表面的压紧作用保证表面成形质量，配合辅助加热装置改善材料的流动性，最终在金属板材内部形成体积较大、表面质量优异的连续隧道。

为此，本发明提供了一种种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，具体的方法步骤如下：

(1)在金属板材沿隧道加工方向开设双面加工凹槽，机械打磨、化学试剂擦拭金属板材表面，去除金属板材表面杂物；

(2)使用工装夹具固定金属板材，将双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置装配在搅拌摩擦焊机上，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置设有搅拌针、上轴肩和下轴肩，上轴肩和下轴肩之间的螺纹段设有双螺纹结构，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置的搅拌针轴线与金属板材表面法线之间具有0-4°的倾角；

(3)在金属板材上表面的加工凹槽两侧放置辅助加热装置，启动辅助加热装置对金属板材进行预热；

(4)启动搅拌摩擦焊机，驱动双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置从金属板材一侧横向压入，使得金属材料达到热塑性状态，双轴肩搅拌摩擦加工装置沿着双面加工凹槽旋转运动，双螺纹同向旋转，使得金属板材内部塑性金属材料排出至双面加工凹槽中，金属板材中心部位形成连续隧道；

(5)双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置继续横向移动至远离金属板材，停止搅拌摩擦焊设备并关闭辅助加热装置，将金属板材放置于空气中冷却至室温。

优选的，步骤(1)中，化学试剂为有机溶剂或清洗剂，有机溶剂为无水乙醇或丙酮溶液。

优选的，步骤(1)中，双面加工凹槽的宽度为3-5mm，深度为1.5-3mm。

优选的，步骤(2)中，上轴肩与金属板材上表面接触，下轴肩与金属板材下表面接触。

优选的，上轴肩和下轴肩与金属板材接触的端面为平面和涡状线槽交替结构，涡状线槽深度为0.3-1.0mm，宽度为1.0-3.0mm，涡状线槽沿双轴肩的中心轴线呈圆周阵列分布。

优选的，步骤(2)中，双螺纹结构为左旋螺纹和右旋螺纹衔接结构。

优选的，双螺纹结构为上部左旋螺纹衔接下部右旋螺纹结构，螺距均为1.0-1.5mm、高度均为3-8mm、直径均为5-10mm。

优选的，步骤(2)中，上轴肩和下轴肩分别通过螺纹配合连接搅拌针。

优选的，步骤(3)中，预热温度为300-400℃。

优选的，步骤(4)中，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置旋转速度为100-1000rpm，前进速度为50-200mm/min，下压量为0-0.2mm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法中，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置配合辅助加热装置，实现金属板材中心部分形成连续隧道。所述双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置设有搅拌针、上轴肩和下轴肩，上轴肩和下轴肩之间的搅拌针部分设有双螺纹结构，双螺纹结构随着搅拌针同向旋转，实现金属板材内部金属材料向外流动至金属板材的双面加工凹槽内，由此使得成形的隧道体积增大，且隧道成形位置处于金属板材中心。本发明适用于中厚板材的隧道加工，提升了加工后金属板材的散热效率及耐蚀性，同时实现了产品轻量化。

(2)本发明的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法中，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置的上轴肩和下轴肩的端面为平面和涡状线槽交替结构，在实现双轴肩对金属板材上下表面的压紧作用的同时使得金属材料在金属板材上下表面堆积并实现焊合，从而保证表面成形质量。其中，平面部分对金属板材的顶锻力较大，方便加工过程中双轴肩压紧金属端面；涡状线槽使金属材料向搅拌针中心区域汇聚并焊合金属板材上下表面金属，从而避免加工表面沟槽缺陷的出现，保证金属板材中心部位形成具有一定轨迹的连续隧道。而且，上轴肩、下轴肩均通过螺纹配合连接搅拌针，这种连接方式使得搅拌针和双轴肩彼此独立，轴肩距的灵活调整使得搅拌头能够适应不同厚度的金属板材，更换灵活，自适应和可实施性强、经济性强，适用于大规模工业生产。

(3)本发明的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法中，金属板材沿着隧道加工方向设有双面加工凹槽，保证了内部材料的导出，使得加工过程中双轴肩可以压紧金属板材表面。同时加工前的预热可以使得材料的流动性得到提升，最终形成表面成形良好的连续隧道。本发明进一步简化工艺流程、提升效率并节省成本，大大提高搅拌摩擦隧道成形方法应用的广度和深度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置加工过程及隧道成形的示意图。

图2是本发明中双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置结构示意图；

图3为图2中A处放大图；

图4为本发明中双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置与金属板材初始状态示意图；

图5为本发明中下轴肩的涡状线槽示意图；

图6为本发明中加工过程中金属板材材料挤出的示意图；

图中符号说明：

1.金属板材；2.双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置；21.搅拌针；22.上轴肩；23.下轴肩；24.涡状线槽；3.左旋螺纹；4.右旋螺纹；5.连续隧道；6.辅助加热装置。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，如图1所示，具体的方法步骤如下，图1中箭头方向为隧道加工方向：

(1)在金属板材1沿隧道加工方向开设双面加工凹槽，机械打磨、化学试剂擦拭金属板材1表面，去除金属板材1表面杂物。

具体地，准备金属板材1，金属板材1为铝合金、镁合金等轻质金属板材。分别在金属板材1的上表面和下表面开设加工凹槽，加工凹槽的宽度均为3-5mm，深度均为1.5-3mm。通过机械打磨方式将金属板材1表面的氧化膜进行清理，再使用有机溶剂或清洗剂对金属板1表面进行擦拭，以去除表面粘附的油污和金属粉末。其中，使用的有机溶剂为无水乙醇或丙酮溶液。

金属板材1沿着隧道加工方向设有双面加工凹槽，保证了内部材料的导出，使得加工过程中双轴肩可以压紧金属板材1表面。

(2)使用工装夹具固定金属板材1，将双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2固装配在搅拌摩擦焊机上，所述双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2设有搅拌针21、上轴肩22和下轴肩23，所述上轴肩22和下轴肩23之间的螺纹段设有双螺纹结构，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2的搅拌针21轴线与金属板材1表面法线之间具有0-4°的倾角。

具体地，使用合适的工装夹具将金属板材1固定在水平工作台上，将双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2紧固装配在搅拌摩擦焊机上。如图2所示，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2设有搅拌针21、上轴肩22和下轴肩23，搅拌针21、上轴肩22、下轴肩23所采用材料均为工具钢、硬质合金、钨铼合金等，所选材料硬度应不低于金属板材1。上轴肩22、下轴肩23均通过螺纹配合连接搅拌针21，这种连接方式使得搅拌针21和双轴肩彼此独立，轴肩距的灵活调整使得搅拌头能够适应不同厚度的金属板材1，更换灵活，自适应和可实施性强、经济性强，适用于大规模工业生产。

如图3所示，上轴肩22与金属板材1上表面接触，下轴肩23与金属板材下表面接触。采用双轴肩配合双面加工凹槽，方便在加工过程中，双轴肩可以压紧金属板材1表面，保证内部材料的导出。上轴肩22和下轴肩23之间的螺纹段设有双螺纹结构，双螺纹结构为左旋螺纹3和右旋螺纹4衔接结构。

具体地，如图4所示，采用上部左旋螺纹3衔接下部右旋螺纹4结构，且螺距、高度和直径相同，螺距为1.0-1.5mm、高度为3-8mm、直径为5-10mm。

如图5所示，上轴肩22和下轴肩23与金属板材1接触的端面为平面和涡状线槽24交替结构，且涡状线槽24沿双轴肩的中心轴线呈圆周阵列分布。在实现双轴肩对金属板材1上下表面的压紧作用的同时使得金属材料在金属板材1上下表面堆积并实现焊合，从而保证表面成形质量。其中，平面部分对金属板材1的顶锻力较大，方便加工过程中双轴肩压紧金属端面；涡状线槽24使金属材料向搅拌针21中心区域汇聚并焊合金属板材1上下表面金属，从而避免加工表面沟槽缺陷的出现，保证金属板材1中心部位形成具有一定轨迹的连续隧道5。

具体地，涡状线槽24深度为0.3-1.0mm，宽度为1.0-3.0mm。

而且，上轴肩22、下轴肩23均通过螺纹配合连接搅拌针，这种连接方式使得搅拌针21和双轴肩彼此独立，轴肩距的灵活调整使得搅拌头能够适应不同厚度的金属板材1，更换灵活，自适应和可实施性强、经济性强，适用于大规模工业生产。

(3)在金属板材1上表面加工凹槽两侧放置辅助加热装置66，启动加热装置对金属板材1进行预热。

具体地，预热温度为300-400℃，加工前的预热可以使得材料的流动性得到提升，最终形成表面成形良好的连续隧道5。

(4)启动搅拌摩擦焊机，驱动双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2从金属板材1一侧横向压入，使得金属材料达到热塑性状态，双轴肩搅拌摩擦加工装置2沿着双面加工凹槽旋转运动，双螺纹同向旋转，使得金属板材1内部塑性金属材料排出至双面加工凹槽中，金属板材1中心部位形成连续隧道5。

具体地，旋转速度为100-1000rpm的双轴肩搅拌摩擦隧道加工工具2以50-200mm/min的前进速度从金属板材1一侧逐渐横向压入，下压量为0-0.2mm，大量的摩擦热使金属材料达到热塑性状态。如图6所示，通过左旋螺纹3逆时针旋转及左右螺纹4逆时针旋转，实现金属板材1内上部塑性金属材料顺着左旋螺纹3向上流动、下部塑性金属材料顺着右旋螺纹4向下流动并从工件内部排出至上表面凹槽和下表面凹槽内，同时焊合金属板材1上下表面金属，一次性在金属板材1内部形成具有一定轨迹的连续隧道5，由此使得成形的隧道不仅体积增大，且隧道成形位置处于金属板材1中心，而且提升了加工后金属板材1的散热效率及耐蚀性，同时实现了产品轻量化。

(5)使双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2继续横向移动远离金属板材1，停止搅拌摩擦焊设备驱动双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2旋转，并关闭辅助加热装置6，将金属板材1放置于空气中冷却至室温。

本发明的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法中，首先，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2配合辅助加热装置6，实现金属板材1中心部分形成连续隧道5。双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2设有搅拌针21、上轴肩22和下轴肩23，上轴肩22和下轴肩23之间的搅拌针21部分设有双螺纹结构，双螺纹结构随着搅拌针21同向旋转，实现金属板材1内部金属材料向外流动至金属板材1的双面加工凹槽内，由此使得成形的隧道体积增大，且隧道成形位置处于金属板材1中心，提升了加工后金属板材1的散热效率及耐蚀性，同时实现了产品轻量化。

其次，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置2的上轴肩22和下轴肩23的端面为平面和涡状线槽24交替结构，在实现双轴肩对金属板材1上下表面的压紧作用的同时使得金属材料在金属板材1上下表面堆积并实现焊合，从而保证表面成形质量。其中，平面部分对金属板材1的顶锻力较大，方便加工过程中双轴肩压紧金属端面；涡状线槽24使金属材料向搅拌针21中心区域汇聚并焊合金属板材1上下表面金属，从而避免加工表面沟槽缺陷的出现，保证金属板材1中心部位形成具有一定轨迹的连续隧道5。

另外，上轴肩22、下轴肩23均通过螺纹配合连接搅拌针21，这种连接方式使得搅拌针21和双轴肩彼此独立，轴肩距的灵活调整使得搅拌头能够适应不同厚度的金属板材1，更换灵活，自适应和可实施性强、经济性强，适用于大规模工业生产。

最后，金属板材1沿着隧道加工方向设有双面加工凹槽，保证了内部材料的导出，使得加工过程中双轴肩可以压紧金属板材1表面。同时加工前的预热可以使得材料的流动性得到提升，最终形成表面成形良好的连续隧道5。

综上所述，本发明为一种新型搅拌摩擦隧道成形方法，在中厚板隧道加工过程中保证表面成形质量的同时，提升隧道体积、保证隧道成形质量、控制隧道在板材中间部位成形，将会进一步简化工艺流程、提升效率并节省成本，大大提高搅拌摩擦隧道成形方法应用的广度和深度。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征是，步骤如下：

(1)在金属板材沿隧道加工方向开设双面加工凹槽，机械打磨、化学试剂擦拭金属板材表面，去除金属板材表面杂物；

(2)使用工装夹具固定金属板材，将双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置装配在搅拌摩擦焊机上，所述双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置设有搅拌针、上轴肩和下轴肩，所述上轴肩和下轴肩之间的螺纹段设有双螺纹结构，双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置的搅拌针轴线与金属板材表面法线之间具有0-4°的倾角；

(3)在金属板材上表面的加工凹槽两侧放置辅助加热装置，启动辅助加热装置对金属板材进行预热；

(4)启动搅拌摩擦焊机，驱动双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置从金属板材一侧横向压入，使得金属材料达到热塑性状态，所述双轴肩搅拌摩擦加工装置沿着双面加工凹槽旋转运动，双螺纹同向旋转，使得金属板材内部塑性金属材料排出至双面加工凹槽中，金属板材中心部位形成连续隧道；

(5)双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置继续横向移动至远离金属板材，停止搅拌摩擦焊设备并关闭辅助加热装置，将金属板材放置于空气中冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(1)中，所述化学试剂为有机溶剂或清洗剂，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮溶液。

3.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(1)中，所述双面加工凹槽的宽度为3-5mm，深度为1.5-3mm。

4.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(2)中，所述上轴肩与金属板材上表面接触，所述下轴肩与金属板材下表面接触。

5.根据权利要求4所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，上轴肩和下轴肩与金属板材接触的端面为平面和涡状线槽交替结构，所述涡状线槽深度为0.3-1.0mm，宽度为1.0-3.0mm，所述涡状线槽沿双轴肩的中心轴线呈圆周阵列分布。

6.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(2)中，所述双螺纹结构为左旋螺纹和右旋螺纹衔接结构。

7.根据权利要求6所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，双螺纹结构为上部左旋螺纹衔接下部右旋螺纹结构，螺距均为1.0-1.5mm、高度均为3-8mm、直径均为5-10mm。

8.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(2)中，所述上轴肩和下轴肩分别通过螺纹配合连接搅拌针。

9.据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(3)中，预热温度为300-400℃。

10.根据权利要求1所述的一种双轴肩搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，步骤(4)中，所述双轴肩搅拌摩擦隧道加工装置旋转速度为100-1000rpm，前进速度为50-200mm/min，下压量为0-0.2mm。

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