[发明专利]一种焊前混合表面纳米化的搅拌摩擦焊接金属材料方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊方法，用于金属材料的高质量焊接。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种固相连接新工艺技术，可有效避免传统熔化焊产生的气孔和裂纹等各种缺陷，具有节能环保、连接温度低、焊后残余应力小以及接头性能高等一系列优点，可实现传统认为不可焊的高强铝合金(如2×××系和7×××系铝合金)的高质量焊接，装置示意图如图1。搅拌摩擦焊自发明起便受到了广泛的关注，是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术，被誉为继激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽车等领域的焊接方面具有广阔的应用前景。其工作原理是一个带有轴肩和搅拌针的焊接工具高速旋转并将搅拌针挤入对接板材的接缝处，直至轴肩与工件紧密接触，在摩擦热和搅拌针挤压的作用下，材料发生软化，搅拌针的搅动作用使接缝两侧的材料产生塑性流变和混合，通过焊接工具的前移形成密实无缺陷的焊缝。

金属材料经过搅拌摩擦焊后，焊缝在搅拌摩擦产生的高温热循环作用下，强化相发生了粗化或回溶，导致焊缝的热机影响区是焊接接头的薄弱环节，在硬度、屈服强度、抗拉强度、应力作用下的腐蚀等方面的综合性能亟需提高，同时，搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度非常大，进一步影响了焊接接头的综合性能。

表面纳米化作为表面强化的一种新手段，能够在材料表层形成表面粗糙度不等的梯度纳米结构层，获得高强度、高硬度和高耐磨等优异性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种结合混合表面纳米化技术的搅拌摩擦焊方法，能够在搅拌摩擦焊焊缝中形成较多的纳米层区，减少因待焊基材焊接面不平整等引起“S”形线的形成率，进一步降低焊接接头缺陷率，提高搅拌摩擦焊接头综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

对待焊基材表面进行研磨、抛光；然后进行超音速微粒轰击表面纳米化处理，在待焊基材表面形成一层厚度不低于50μm的纳米层，表面纳米晶粒的平均尺寸不大于50nm；对待焊基材表面进行表面机械滚压；用丙酮去除待焊基材表面油污，然后进行搅拌摩擦焊；焊接结束后铲掉接头上表面的飞边，并将过渡区域打磨光滑。

所述的超音速微粒轰击表面纳米化处理的弹丸材质为不锈钢S110、SiO₂、BN或WC，弹丸直径为0.05～0.5mm，喷射角为60°～90°，工作气压为0.1～0.53MPa，气流速率为340～1200m/s，喷射距离为10～300mm，喷射时间为0.1～300min。

所述的表面机械滚压的旋转轴转速为20～200r/min，轴上装有WC-Co硬质合金钢冲击滚轮，滚轮直径为20～60mm，厚度为5～30mm，搅拌摩擦焊接接头表面沿滚轮转轴方向往复运动的移动速率为0.05～5mm/s，移动最大距离为1～300mm，往复移动一个来回为2次处理，滚压次数1～100次，工作环境温度为-50℃～100℃。

所述的搅拌摩擦焊分预焊和正式焊，预焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径为1-15mm，根部直径为1-20mm，旋转速度为50-1000r/min，焊接速度为50-1000mm/min，搅拌头倾斜角为0-5°，压入深度为0-1mm；正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径为1-15mm，根部直径为1-20mm，旋转速度为100-2000r/min，焊接速度为100-1000mm/min，搅拌头倾斜角为0-5°，压入深度为0-1mm。

本发明的有益效果是：能够在搅拌摩擦焊焊缝中形成纳米层区，待焊基材待焊面表面粗糙度得到大幅减小，焊接产品的缺陷率得到降低，通过提高焊缝中热机影响区等薄弱环节的性能，达到提高焊接接头综合性能的目的，进一步扩展搅拌摩擦焊的工业化应用范围。具体优点如下：

1、金属材料经过超音速微粒轰击后生成的表面纳米层厚，有利于提高焊缝中纳米层区的体积占比，通过表面机械滚压技术不仅使表面纳米层晶粒进一步细化，而且大幅降低待焊基材待焊表面粗糙度，减少“S”形线等缺陷的产生，在热机影响区中制备出更细、更多纳米晶，提高了焊接接头的综合性能(如：硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、耐点蚀性能和耐应力腐蚀性能)；

2、工艺简单易行、成本低廉，无目前所使用的阳极化工艺的环境污染问题，耗能少，丸粒的重复使用率高，滚压设备制造与维护便捷；

3、适用范围广，本发明可以适用于各种金属材料，广泛应用于机床、仪表、船舶、飞机、航空航天材料、矿山设备、化工等领域。