CN201613422U - 一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及金属基复合材料和焊接领域，特别提供了一种由金属陶瓷与合金工具钢采用真空钎焊连接技术制备的复合式搅拌摩擦焊接工具，该焊接工具适用于颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接。所述焊接工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，而夹持端采用合金工具钢，焊接工具由两种材料通过真空钎焊连接构成。所述焊接工具用高强耐磨金属陶瓷材料是以陶瓷颗粒为增强相，以耐热金属合金为粘结相，通过粉末冶金真空烧结方法制备。本实用新型的复合式焊接工具与传统钢质焊接工具相比，在搅拌摩擦焊接颗粒增强金属基复合材料时，其耐磨性和使用寿命可提高100倍以上，且不会引入杂质污染焊缝，可获得高的焊缝强度系数和高的焊缝表面质量。
Description
技术领域：
本实用新型涉及金属基复合材料和焊接领域，特别提供了一种由金属陶瓷与合金工具钢采用真空钎焊连接技术制备的复合式搅拌摩擦焊接工具，该焊接工具适用于颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接。
背景技术：
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所实用新型的一种新型固相连接技术，自问世以来受到人们的极大关注，已成功应用于铝、镁等金属材料的焊接，引发了航空、航天、铁路、汽车及造船等装备制造领域生产技术的变革，取得了显著的经济效益和社会效益。
焊接工具设计是搅拌摩擦焊技术的核心，而选择合适的焊接工具材料是实现工具设计思想、取得高质量连接的关键，其中最为重要的是焊接工具的工作部分-搅拌头的材料选择。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机作用并形成接头，搅拌头在此过程中直接承受热载、力载及摩擦磨损。在焊接铝、镁等较软材料时，搅拌头材料一般采用工具钢即可满足要求，因而焊接工具通常采用整体式结构，即搅拌头和夹持部分为同一材质的整体。
对于颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接，坚硬陶瓷颗粒的存在使搅拌头在焊接过程中发生严重磨损，尤其是在较高转速焊接时，磨损更为严重。搅拌头磨损不仅降低其使用寿命，无法保证长距离焊接，而且由搅拌头磨损引入焊缝中的杂质元素还会与复合材料的基体元素反应形成新的化合物，不利于接头力学性能提高。高硬耐磨合金或结构陶瓷虽然可以满足复合材料的搅拌摩擦焊的耐磨性要求，然而这些材料的制造和加工难度都较大，并且陶瓷的脆性无法满足搅拌摩擦焊的复杂受力条件。
金属陶瓷是由陶瓷颗粒与耐热金属合金组成的一种多相复合材料，具有高的硬度和耐磨性，优良的高温抗氧化性、耐蚀性及与金属较低的摩擦系数。与合金工具钢相比，金属陶瓷的高硬度和耐磨性使之成为金属基复合材料搅拌摩擦焊接工具材料的理想选择。然而，如果制备整体式金属陶瓷焊接工具，不仅烧结制备困难、制备成本高、材料浪费大，而且后续加工量大，成品率低。尤其重要的是，金属陶瓷韧性明显低于金属合金，在搅拌摩擦焊接的复杂受力情况下易于损伤。考虑到，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头是焊接的工作部分，主要要求磨损性能；而夹持端在焊接时承受较大的扭力和横向剪切力，需要良好的韧性，因而设计由不同特性材料组成的复合式焊接工具，可望获得最佳的焊接工具性能。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于提供一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，解决现有技术中整体式金属陶瓷焊接工具不仅烧结制备困难、制备成本高、材料浪费大，而且后续加工量大、成品率低等问题，适用于不连续增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接。
本实用新型的技术方案是：
一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，该复合式焊接工具设有夹持端、轴肩和搅拌针，轴肩安装于夹持端前端，搅拌针插装于轴肩和夹持端；所述焊接工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，焊接工具的夹持端采用合金工具钢，焊接工具由两种材料通过真空钎焊连接复合构成。
所述高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒为增强相，以耐高温金属合金为粘结相，由粉末冶金真空烧结方法制备，硬度HRC54～65。
所述增强相为TiC、Ti(C，N)、WC或TiB2，粘结相为Ni基、Co基或Fe基合金。
所述焊接工具轴肩和搅拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶瓷硬度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度稍高。
所述焊接工具的轴肩、搅拌针及夹持端采用真空钎焊方法连接，选用铜基或镍基焊料。
所述金属基复合材料是指各种陶瓷颗粒或晶须增强的铝基、镁基、铜基或锌基复合材料。
本实用新型提供的真空钎焊连接技术，包括如下步骤：
1、选用铜基或镍基片状或膏状焊料，如CuMnCo、CuMnNi、BNi-2焊料等。
2、焊接工具夹持端、轴肩、搅拌针与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。
3、真空钎焊温度为1000～1100℃，保温时间30～60min。
另外，本实用新型提供的复合式焊接工具也可以仅将焊接工具夹持端与金属陶瓷轴肩两者之间进行真空钎焊连接，而搅拌针采用紧固螺栓固定，从而形成一种复合-组合一体式焊具结构。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型的复合式焊接工具与传统钢质焊接工具相比，在搅拌摩擦焊接颗粒增强金属基复合材料时，其耐磨性和使用寿命可提高100倍以上，且不会引入杂质污染焊缝，可获得高的焊缝强度系数和高的焊缝表面质量。另外，本专利采用钎焊连接结构，即可节约价格昂贵且难加工的金属陶瓷材料，又降低了焊接工具的加工成本，还便于搅拌针形状的修改，大大提高了焊接工具的灵活性、可靠性及实用性。
附图说明：
图1为本实用新型的复合式焊接工具结构示意图。
图2为本实用新型的复合-组合一体式焊接工具结构示意图。
图中，1夹持端；2轴肩；3搅拌针；4钎焊焊缝；5紧固螺栓。
具体实施方式：
如图1所示，本实用新型用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，主要由夹持端1、轴肩2和搅拌针3等组成，轴肩2安装于夹持端1前端，搅拌针3插装于轴肩2和夹持端1，夹持端1选用合金工具钢，轴肩2和搅拌针3采用高强耐磨金属陶瓷，轴肩及搅拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶瓷硬度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度稍高。本实用新型中，夹持端1、轴肩2和搅拌针3采用真空钎焊技术连接成复合式焊接工具，轴肩2、搅拌针3与夹持端1之间为钎焊焊缝4。
如图2所示，本实用新型用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，也可以仅将焊接工具夹持端1与金属陶瓷轴肩2两者之间进行真空钎焊连接，轴肩2与夹持端1之间为钎焊焊缝4，而搅拌针3采用紧固螺栓5固定，从而形成复合-组合一体式焊具结构。
本实用新型提供的高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒(如：TiC、Ti(C，N)、WC或TiB2)为增强相，以耐热金属合金(如：Ni基、Co基或Fe基)为粘结相，由粉末冶金真空烧结方法制备，硬度HRC54～65。
实施例1
焊接工具夹持端选用H13钢，与轴肩接触端尺寸为Φ12mm。轴肩选用Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为：外圆Φ12mm，内孔Φ4mm，高度4mm。搅拌针选用Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，硬度为HRC63，尺寸Φ4×18mm，伸出轴肩部分长3mm。钎焊料采用CuMnNi焊料，厚度0.2mm。焊接工具夹持端、轴肩、搅拌针与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050℃，保温时间60min。
采用该实施例制造的复合式焊接工具搅拌摩擦焊接3mm厚17vol.％SiC/2009Al复合材料板，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接2000mm焊缝后，该复合式焊接工具搅拌针3及轴肩2部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数无明显变化，均达到85％以上。
对比例1
焊接工具为采用H13钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例1完全相同，加工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC47。
采用H13钢焊接工具进行3mm厚17vol.％SiC/2009Al复合材料板的搅拌摩擦焊接，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接1000mm焊缝后，搅拌针已发生严重磨损，搅拌针重量减少24％，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约80％，尾端焊缝强度系数仅约62％。
实施例2
焊接工具夹持端选用M42钢，与轴肩接触端尺寸为Φ20mm。轴肩选用Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为：外圆Φ20mm，内孔Φ8mm，高度5mm。钎焊料采用CuMnNi焊料，厚度0.2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050℃，保温时间60min。搅拌针选用硬度为HRC63的Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，尺寸Φ8×25mm，搅拌针采用M6螺栓固定在焊接工具夹持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长6mm。
采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接6mm厚20vol.％SiC/2009Al复合材料板，在转速为1000转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接2000mm焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数变化不明显，均达到80％以上。
对比例2
焊接工具为采用M42钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例2完全相同，加工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC66。
采用M42钢焊接工具进行6mm厚20vol.％SiC/2009Al复合材料板的搅拌摩擦焊接，在转速为1000转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接1000mm焊缝后，搅拌针已发生严重磨损，搅拌针重量减少21％，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约78％，尾端焊缝强度系数仅约63％。
实施例3
焊接工具夹持端选用H13钢，与轴肩接触端尺寸为Φ20mm。轴肩选用WC-Co硬质合金，硬度HRC62，尺寸为：外圆Φ20mm，内孔Φ8mm，高度5mm。钎焊料采用CuMnCo焊料，厚度0.2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1040℃，保温时间60min。搅拌针选用与轴肩相同硬度的WC-Co硬质合金，尺寸Φ8×25mm，搅拌针采用M6螺栓固定在焊接工具夹持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长6mm。
采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接6mm厚15vol.％B4C/6061Al复合材料板，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接1000mm焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数变化不明显，均达到80％以上。
对比例3
焊接工具为采用H13钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例3完全相同，加工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC47。
采用H13钢焊接工具进行6 mm厚15vol.％B4C/6061Al复合材料板的搅拌摩擦焊接，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接500mm焊缝后，搅拌针已发生严重磨损，搅拌针重量减少20％，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约78％，尾端焊缝强度系数仅约67％。
实施例4
焊接工具夹持端选用M42钢，与轴肩接触端尺寸为Φ18mm。轴肩选用Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为：外圆Φ18mm，内孔Φ7mm，高度5mm。钎焊料采用CuMnNi焊料，厚度0.2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050℃，保温时间60min。搅拌针选用硬度为HRC63的Ti(C，N)/NiCr金属陶瓷，尺寸Φ7×24mm，搅拌针采用M6螺栓固定在焊接工具夹持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长5mm。
采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接5mm厚15vol.％SiC/AZ91复合材料板，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接1000mm焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数变化不明显，均达到82％以上。
对比例4
焊接工具为采用M42钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例4完全相同，加工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC66。
采用M42钢焊接工具进行5mm厚15vol.％SiC/AZ91复合材料板的搅拌摩擦焊接，在转速为800转/分、焊速为100mm/分焊接参数下，连续焊接500mm焊缝后，搅拌针已发生严重磨损，搅拌针重量减少14％，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约78％，尾端焊缝强度系数约70％。
Claims (8)
1.一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于：该复合式焊接工具设有夹持端、轴肩和搅拌针，轴肩安装于夹持端前端，搅拌针插装于轴肩和夹持端，所述焊接工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，焊接工具的夹持端采用合金工具钢，焊接工具由两种材料通过真空钎焊连接复合构成。
2.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒为增强相，以耐高温金属合金为粘结相，由粉末冶金真空烧结方法制备，硬度HRC54～65。
3.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述增强相为TiC、Ti(C，N)、WC或TiB2，粘结相为Ni基、Co基或Fe基合金。
4.根据权利要求1-3之一所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述焊接工具轴肩和搅拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶瓷硬度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度稍高。
5.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述焊接工具的轴肩、搅拌针及夹持端采用真空钎焊方法连接，选用铜基或镍基焊料。
6.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述焊接工具也可只将夹持端与金属陶瓷轴肩两者之间进行真空钎焊连接，而搅拌针采用紧固螺栓固定。
7.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述真空钎焊温度为1000～1100℃，保温时间30～60min。
8.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于，所述金属基复合材料是指各种陶瓷颗粒或晶须增强的铝基、镁基、铜基或锌基复合材料。
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