[发明专利]一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴系统

说明书

本发明公开了一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴系统，包括圆棒耗材和圆筒外壳、圆筒外壳内同轴的空心主轴、沿空心主轴内孔上下滑动的轴套、与空心主轴下端固定的自锁加紧机构和刚性轴套。圆棒耗材上端与轴套固定、下端通过自锁加紧机构和刚性轴套与工件表面接触。当空心主轴高速旋转时，将通过轴套和下端自锁加紧机构带动圆棒耗材与刚性轴套高速旋转、同时轴套沿空心主轴向下移动，使得圆棒耗材在高速旋转同时又能沿轴向向下移动，刚性轴套起到非消耗轴肩摩擦挤压作用，从而实现带轴肩的摩擦堆焊工艺过程。采用这种主轴系统不仅可以提高圆棒耗材利用率，而且有效消除传统摩擦堆焊层边缘的弱连接缺陷，获得力学性能更为优异的摩擦堆焊层。

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴系统。

背景技术

摩擦堆焊是一种特殊的材料表面堆焊与加工技术，它是采用摩擦焊的原理实材料堆焊过程的先进工艺方法。如图1所示，摩擦堆焊主要原理描述如下：首先将需要堆焊的材料加工成一定尺寸圆棒耗材2，其次对圆棒耗材施加高速旋转作用、并在高速旋转的同时施加一定轴向顶锻压力；这样在高速旋转和轴向压力的共同作用下，当圆棒耗材2与基材表面1接触时必然会产生大量摩擦加热作用，耗材摩擦界面附近材料发生明显软化并进入热塑性状态；由于基材体积大其热传导率明显高于圆棒耗材2一侧，因而摩擦热源大部分集中在圆棒耗材2摩擦界面附近，使得耗材摩擦界面附近材料不断进入热塑性状态并形成大量耗材飞边3环绕在耗材端部；此时当圆棒耗材2沿基材表面横向移动时，摩擦加热形成的热塑性材料就会连续不断地过渡到基材表面而(由堆焊层4)形成连续堆焊焊缝。

由于在该过程中耗材完全处于软化的热塑性状态不会产生熔化，因而与传统熔化堆焊工艺比较，摩擦堆焊具有以下优势：(1)摩擦堆焊过程不会产生熔化和凝固过程，从而有效避免了与材料凝固有关的各种冶金缺陷如微裂纹、气孔及夹杂等熔焊缺陷的产生，所获得的堆焊层为压应力状态的锻造组织；(2)在高速旋转摩擦热源与顶锻压力的共同作用下，摩擦堆焊层组织结构致密、晶粒细小并具有良好力学性能；(3)可以实现熔焊工艺很难堆焊的各种异种金属的堆焊过程、制备具有特殊各种性能的梯度堆焊层；(4)堆焊过程属于机械加工过程，无烟尘飞溅、无弧光和辐射污染、且摩擦热源效率高，是一种绿色环保与高效的材料表面加工方法；(5)堆焊设备类似重载数控机床装备、堆焊过程容易实现自动化、生产效率高；(6)由于堆焊过程属于固相焊接过程，很容易实现基材表面的全位置堆焊工艺。

目前在国外发达国家工业领域，摩擦堆焊技术已获得广泛关注并进行了许多应用基础研究，该技术已经用于制造零部件的局部表面耐磨损及耐腐蚀复合层，如各种闸板阀表面抗腐蚀涂层加工、各种刀刃和耐磨部件的耐磨层制造及修复等。许多试验表明：摩擦堆焊技术在摩擦轧制、零件快速制造、复合材料制备、机械工程结构局部修复及再制造等堆焊与加工制造领域具有广泛的应用潜力。

但传统摩擦堆焊过程仍存在以下主要问题：(1)圆棒耗材的利用率低。由于在传统摩擦堆焊过程中，没有对耗材摩擦界面附近材料进行限制约束，大部分耗材将形成飞边而消耗掉，从而不能有效过渡到基材表面形成堆焊缝，造成堆焊耗材的利用率明显降低。试验表明，只有圆棒耗材的中心部位的少部分材料(圆棒中心1/3半径内)才能过渡到基材表面形成堆焊层，而其余的材料均形成飞边包裹在耗材周围。(2)堆焊层界面连接强度不均匀，中心区域高而两边缘处连接强度明显降低并容易产生弱连接缺陷。由于耗材摩擦界面压力明显不均匀、中心高而边缘低，所形成的堆焊层两边缘会产生未焊合缺陷。因此传统堆焊层边缘很容易产生弱连接缺陷，连接强度低。尤其在进行多道堆焊时，后道堆焊缝需搭接于前道焊缝边缘位置才能改善整个堆焊层内连接强度，但在某些情况下仍不能完全消除堆焊层边缘与基材表面的未焊合缺陷，这将对整个堆焊层焊接质量产生严重影响。

为了获得良好堆焊层连接强度，在进行多道堆焊时必须采用机加工方法将前堆焊缝两边缘的未焊合区域切除掉才能进行邻近焊道堆焊，这不仅进一步浪费堆焊材料并使得堆焊工艺复杂化，而且使得摩擦堆焊技术在工程中很难应用于基材表面的大面积堆焊层制备。

发明内容