[发明专利]一种双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种可提高搅拌头耐磨性的双材料组合式搅拌摩擦焊接搅拌头及其制造工艺，属于焊接与连接技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊接是利用机械摩擦产生热源作为连接金属材料的一种焊接方法，其原理是由一个圆柱体形状的搅拌头伸入工件的连接区，通过搅拌头的高速旋转与被焊接金属材料摩擦，使连接部位的金属材料局部产生摩擦热和发生高温塑性变形，连接区金属材料通过相互扩散与再结晶，最后形成金属间连接。搅拌摩擦焊接作为一种固相焊接方法，焊接时的温度相对较低，焊接后结构的残余应力和变形较小，可避免熔化焊接带来的诸多焊接性问题；同时，焊接过程中不需要填充其它焊接材料，非常适合焊接一些组织与性能对温度和成分变化极为敏感的金属材料，如热处理强化铝合金、镁合金及钛合金等。

搅拌摩擦焊接对设备的要求并不高，最基本的要求是实现搅拌头的旋转运动和工件的相对运动。因此，搅拌摩擦焊接的核心部件就是搅拌头。搅拌头由夹持部分、轴肩和搅拌针组成。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针要旋转着插入工件被焊金属材料的连接部位，旋转的搅拌头与工件之间产生摩擦热使搅拌头前面的金属材料发生高温塑性变形。搅拌头轴肩可以和工件表面相互摩擦产生摩擦热，并防止搅拌头在高速旋转时塑性变形的金属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，高温塑性变形的金属材料流向搅拌头的背后，搅拌头后方的金属材料冷却后形成固态焊缝。

搅拌头作为搅拌摩擦焊接生产中的易耗品，不仅消耗量大，而且其质量的好坏直接影响焊接质量、生产率和成本。搅拌头的材料和结构设计是搅拌摩擦焊接技术的核心，也是搅拌摩擦焊接工艺中最重要技术之一，对焊缝成形质量和金属流动性有重要的影响。搅拌头材料应具有热强性、耐磨性、抗蠕变性、耐冲击性、易加工性、材料惰性、热稳定性、摩擦效果优良等特性。合适材料的搅拌头能够增加摩擦，提高热量的输入，有利于焊缝金属材料高温塑性变形和提高焊接质量。

近几年，搅拌头的材料和结构设计一直受到焊接工作者和搅拌摩擦焊接工艺使用者的关注，并在相关学术期刊发表多篇论文，见[1]Journal of Materials Processing technology，2006，178(1-3)：342-349；[2]Materials Transactions，2005，46(10)：2211-2217；[3]Proceedings of the Japan Welding Society，2005，23(2)：186-193等学术期刊。相关发明专利也很多，如中国专利201310410290.2，201180065081.8，201310316992.4等。查阅已有文献可见，可用作搅拌摩擦焊接的搅拌头材料很多，均为耐磨性较好且具有一定高温热稳定性能的金属材料，如热处理的工具钢、模具钢、镍基合金、WC-Co合金钢、纯钨、钼合金、Co-Al-W合金以及采用两种金属材料组合的搅拌头（轴肩采用模具钢，搅拌针材料为WC-Co合金钢等）。另外，搅拌头的搅拌针在摩擦焊过程中不仅提供热输入，而且起到机械搅拌作用，搅拌针的形貌和几何尺寸影响着高温塑性软化金属材料的流动形式和被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能。随着焊接工作者和搅拌摩擦焊接工艺使用者对搅拌摩擦焊接越来越深入的研究，设计出了多种形貌和几何尺寸搅拌针，如柱形搅拌针、锥形螺纹搅拌针、三槽锥形螺纹搅拌针、偏心圆搅拌针、偏心圆螺纹搅拌针和非对称搅拌针等。由于金属材料的耐磨性是非常有限的，因此现有技术采用的单一金属材料或双金属材料制造的搅拌头很难同时满足对高温热稳定性和耐磨性的要求。而且搅拌针在摩擦焊接过程中磨损最为严重，尺寸变化将改变焊接热输入量，最终影响着高温塑性软化金属材料的流动形式和被切削材料的体积，结果使接头力学性能发生变化。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的上述不足，提供一种采用两种完全不同成分和性能的材料组合而成的组合式搅拌头。其中，轴肩（2）和夹持部位（1）采用热处理的合金工具钢，搅拌针（3）采用立方氮化硼（简称c-BN）超硬耐磨复合材料，最后通过焊接工艺将热处理的合金工具钢与c-BN超硬耐磨复合材料连接起来形成组合式搅拌头。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：