CN216325795U - 搅拌焊搅拌头及该搅拌头的复合涂层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，属于金属涂层结构领域。该涂层结构包括依序布置的基体、TiCN功能层、Al₂O₃中间层和AlTiSiN功能层；同时公开了一种搅拌焊搅拌头，该搅拌头包括夹持区和非夹持区，非夹持区具有该涂层结构。本实用新型中搅拌头通过涂覆该涂层结构，有效的改进了搅拌头在使用过程中因搅拌头磨损严重而失效，导致搅拌头的工作寿命短的问题，增强了摩擦焊接搅拌头的耐磨性，提高了搅拌头的工作寿命。

Description

搅拌焊搅拌头及该搅拌头的复合涂层结构

技术领域

本实用新型涉及一种金属复合涂层结构及具有该复合涂层结构的搅拌头，复合涂层结构特别是与AlTiSiN涂层相关。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是一种先进的绿色低成本固相焊接技术。广泛应用于航天器、船舶、新能源汽车等高新技术产业。摩擦焊接搅拌头是实现该技术的关键部件。在焊接中，存在搅拌头磨损严重而失效的问题。这限制了搅拌头的工作寿命，影响了焊接接头的质量。

近年来，应用硬质涂层保护刀具十分广泛。大约有85％的刀具都涂覆有硬质涂层，且该趋势不断增加。AlTiSiN涂层具有高硬度、高耐磨性和优异的抗高温氧化性能等优点。其硬度高达40GPa以上，通过添加合适的Si含量其抗高温氧化能力可达900℃以上。AlTiSiN涂层不仅可以用在合金刀具表面，也可以沉积在高速刚表面。

摩擦焊接搅拌头的材料为工具钢。因此，摩擦焊接搅拌头可以涂覆AlTiSiN复合涂层，实现搅拌头的高耐磨性。

实用新型内容

为解决摩擦焊接搅拌头在焊接中，存在搅拌头磨损严重而失效，导致搅拌头的工作寿命短的问题，本实用新型提供了一种搅拌焊搅拌头及其复合涂层结构。该涂层结构采用复合涂层技术，将AlTiSiN这种超硬涂层作为搅拌头的保护层，实现了搅拌头的高耐磨性。

本实用新型采用的技术方案是：

搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，该涂层结构包括：

基体；

TiCN功能层；

Al₂O₃中间层；及

AlTiSiN功能层；

所述基体、TiCN功能层、Al₂O₃中间层、AlTiSiN功能层由内向外依序布置。

在本申请公开的一个实施例中，该复合涂层结构还包括第一过渡层；所述第一过渡层设置于所述基体与TiCN功能层之间。

在本申请公开的一个实施例中，所述第一过渡层为CrN层。

在本申请公开的一个实施例中，该复合涂层结构还包括第二过渡层；所述第二过渡层设置于Al₂O₃中间层与AlTiSiN功能层之间。

在本申请公开的一个实施例中，所述第二过渡层为TiN层。

在本申请公开的一个实施例中，所述AlTiSiN功能层的厚度为0.05-0.20um。

在本申请公开的一个实施例中，所述第一过渡层的厚度为0.2-2.0um。

基于同样的发明构思，本申请还公开了一种搅拌焊搅拌头。

该搅拌焊搅拌头，包括：

夹持区、过渡区、轴肩及搅拌针；

所述过渡区，和/或轴肩，和/或搅拌针具有前述的复合涂层结构。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型为了解决摩擦焊接搅拌头在焊接中，存在搅拌头磨损严重而失效，导致搅拌头的工作寿命短的问题，设计了一种摩擦焊接搅拌头及其复合涂层结构。复合涂层结构为依序布置的基体、TiCN功能层、Al₂O₃中间层和AlTiSiN功能层。该涂层结构致密，涂层与基体的结合力强，具有较高的硬度和良好的耐磨性能。搅拌焊搅拌头包括夹持区和过渡区、轴肩及搅拌针，除夹持区外，其他区具有该复合涂层结构，从而增强了摩擦焊接搅拌头的耐磨性，提高了搅拌头的工作寿命。

附图说明

图1为本实用新型的复合涂层结构的示意图；

图2为本实用新型的摩擦焊接搅拌头的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

摩擦焊接搅拌头在焊接过程中具有无污染、无烟尘、无辐射等优点。并且在焊接过程中不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。广泛应用于航天器、船舶、新能源汽车等高新技术产业。摩擦焊接搅拌头直接影响摩擦热源的产生、塑形金属的流动，所以摩擦焊接搅拌头的质量是实现高质量焊接的关键。在焊接过程中，摩擦焊接搅拌头高速旋转，与被焊接材料发生摩擦，容易磨损严重而失效，导致搅拌头的工作寿命变短。

为解决摩擦焊接搅拌头在焊接中，存在搅拌头磨损严重而失效，导致搅拌头的工作寿命短的问题，本实施例中提供了一种搅拌焊搅拌头及其复合涂层结构。复合涂层结构如图1所示，该复合涂层结构包括基体1、TiCN功能层3、Al₂O₃中间层4和AlTiSiN功能层6。搅拌焊搅拌头如图2所示，该搅拌头，包括：夹持区7、过渡区8、轴肩91及搅拌针92。

本实施例中所述的搅拌焊规范称呼是搅拌摩擦焊接，本实施例中简称为搅拌焊。如没有特别说明，本申请文件中所有搅拌焊遵此解释。

具体的，复合涂层结构的基体1为搅拌焊搅拌头的非夹持区，即除了夹持区7以外的其他区域，如图2所示，包括过渡区8、轴肩91及搅拌针92所处的区域。该搅拌头在生产过程中其表面常带有一些污垢，这些污垢的存在不仅影响涂层的外观，还影响涂层与基体之间的附着力，严重时会造成复合涂层结构脱落。所以在涂层前通常需要进行表面预处理，以提高搅拌头表面的清洁度和活化性。

处理方法为：首先采用研磨机和抛光布将基体1进行研磨抛光处理至镜面结构。通过超声波清洗去除基体1表面的氧化物、油污及其他污垢。接着通过射吸式喷砂机将基体1进行喷砂处理；最后对已粗化的基体1进行超声波清洗，以除去残留的金刚砂等杂物。

经过预处理，能把基体1表面的杂质、杂色及氧化层清除掉。同时使基体1表面粗化，表面积增大，提高涂层的附着力，使得涂层产生最强的耐酸、耐碱性能，提高涂层质量。同时起到减少基体1表面残余应力的作用，提高基体1的表面硬度。

此后，TiCN功能层3采用阴极电弧离子镀法沉积在基体1表面。TiCN是一种“零维”的三元固溶体，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐氧化和耐腐蚀的特性，并具有良好的化学稳定性，可以作为外层涂层的支撑。

为加强基体1和TiCN功能层3的结合力，基体1与TiCN功能层3中间设有第一过渡层2。第一过渡层2为CrN层，采用阴极电弧离子镀法沉积在基体1表面。第一过渡层2的厚度为0.2-2.0um。CrN为六方晶系结构，具有较高的硬度，良好的耐磨性、耐腐蚀性和化学稳定性。

然后，Al₂O₃中间层4采用阴极电弧离子镀法沉积在TiCN功能层3上。Al₂O₃在温度超过1600℃以上，会转变为高温稳定的α-Al₂O₃3，即刚玉。α-Al₂O₃属于六方最密堆积，其化学性质稳定，具有优良的硬度、耐腐蚀性和高温稳定性，能够提高复合涂层结构的抗氧化性和高温性能。

为加强Al₂O₃中间层4和AlTiSiN功能层6的结合力，Al₂O₃中间层4和AlTiSiN功能层6之间设有第二过渡层5。第二过渡层5为TiN层，采用阴极电弧离子镀法沉积在Al₂O₃中间层4上。TiN属于面心立方点阵结构，具有耐磨、耐热和耐腐蚀等性能，且硬度极高，能提高复合涂层结构的附着力和耐磨性。

具体的，AlTiSiN功能层6是采用阴极电弧离子镀法沉积在第二过渡层5上。AlTiSiN功能层6的厚度为0.05-0.20um。AlTiSiN具有高硬度、高耐磨性和优异的抗高温氧化性能等优点。AlTiSiN功能层6作为搅拌摩擦焊接搅拌头的保护层，有利于提高搅拌头的耐磨性。

涂层结构采用复合涂层技术，复合涂层各组分之间可以取长补短、协同作用，弥补了单项材料的缺点，改进了单相材料的性能。在基体1上依序沉积第一过渡层2、TiCN功能层3、Al₂O₃中间层4、第二过渡层5和AlTiSiN功能层6。其中TiCN功能层3和AlTiSiN功能层6为整个复合涂层结构提供必需的耐磨性。第一过渡层2和第二过渡层5为涂层结构提供耐磨性的同时，增强了涂层结构各组分与基体1之间的结合力。Al₂O₃中间层4则增加耐磨性的同时，提供涂层结构的高温稳定性和化学稳定性。该涂层结构采用复合涂层技术增强了摩擦焊接搅拌头的耐磨性，提高了搅拌头的工作寿命。

由上述可知：

本实施例中，搅拌焊搅拌头的复合涂层结构的制备方法为：

在涂层前，将搅拌头的基体1进行预处理。首先采用研磨机和抛光布将基体1进行研磨抛光处理至镜面结构。再通过超声波清洗去除其表面的氧化物、油污及其他污垢。接着通过射吸式喷砂机将其进行喷砂处理。最后对已粗化的基体1进行超声波清洗，以除去残留的金刚砂等杂物。预处理后，采用阴极电弧离子镀法将CrN沉积在基体1上，形成第一过渡层2。再采用阴极电弧离子镀法将TiCN沉积在第一过渡层2上，形成TiCN功能层3。接着采用阴极电弧离子镀法将Al₂O₃沉积在TiCN功能层3上，形成Al₂O₃中间层4。再采用阴极电弧离子镀法将TiN沉积在Al₂O₃中间层4上，形成第二过渡层5。最后采用阴极电弧离子镀法将AlTiSiN沉积在第二过渡层5上，形成AlTiSiN功能层6。即复合涂层结构为第一过渡层2、TiCN功能层3、Al₂O₃中间层4、第二过渡层5和AlTiSiN功能层6依序沉积在基体1上。本实施例制备出的涂层结构致密，涂层与基体的结合力强，具有较高的硬度和良好的耐磨性能，有利于实现搅拌头的高耐磨性能。

在上述实施例中，该搅拌头的材料为工具钢。夹持部7用于焊接时定位夹持。基体1部分含有该复合涂层结构，即过渡区8、轴肩91及搅拌针92含有该复合涂层结构。

其工作原理是：工作时，该搅拌焊搅拌头伸入工作的连接区。通过搅拌头的高速旋转与被焊接材料摩擦，使连接部位的材料局部产生摩擦热，高温软化。连接部位的材料通过相互扩散与再结晶，最后形成连接。轴肩91可以和金属表面相互摩擦产生摩擦热，防止搅拌头在高速旋转时变形的材料从焊缝区喷射出来，同时起到清除表面氧化膜的作用。随着搅拌头的移动，高温变形的材料流向搅拌头的背后，搅拌头后方的材料冷却后形成固态焊缝。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于，该复合涂层结构包括：

基体(1)；

TiCN功能层(3)；

Al₂O₃中间层(4)；及

AlTiSiN功能层(6)；

所述基体(1)、TiCN功能层(3)、Al₂O₃中间层(4)、AlTiSiN功能层(6)，由内向外依序布置。

2.如权利要求1所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于：

该复合涂层结构还包括第一过渡层(2)；

所述第一过渡层(2)设置于所述基体(1)与TiCN功能层(3)之间。

3.如权利要求2所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于，所述第一过渡层(2)为CrN层。

4.如权利要求1-3任意一项所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于：该复合涂层结构还包括第二过渡层(5)；

所述第二过渡层(5)设置于Al₂O₃中间层(4)与AlTiSiN功能层(6)之间。

5.如权利要求4所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于，所述第二过渡层(5)为TiN层。

6.如权利要求1所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于，所述AlTiSiN功能层(6)的厚度为0.05-0.20um。

7.如权利要求2或3所述的搅拌焊搅拌头的复合涂层结构，其特征在于，所述第一过渡层的厚度为0.2-2.0um。

8.搅拌焊搅拌头，其特征在于，包括：

夹持区(7)、过渡区(8)、轴肩(91)及搅拌针(92)；

所述过渡区(8)，和/或轴肩(91)，和/或搅拌针(92)具有权利要求1-7中任意一项所述的复合涂层结构。

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