專利名稱：一種用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及金屬基復合材料和焊接領(lǐng)域，特別提供了一種由金屬陶瓷與合金 工具鋼采用真空釬焊連接技術(shù)制備的復合式攪拌摩擦焊接工具，該焊接工具適用于顆粒增 強金屬基復合材料的攪拌摩擦焊接。
技術(shù)背景攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所實用新型的一種新型固相連接技術(shù)，自問世 以來受到人們的極大關(guān)注，已成功應(yīng)用于鋁、鎂等金屬材料的焊接，引發(fā)了航空、航天、鐵 路、汽車及造船等裝備制造領(lǐng)域生產(chǎn)技術(shù)的變革，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。焊接工具設(shè)計是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，而選擇合適的焊接工具材料是實現(xiàn)工具 設(shè)計思想、取得高質(zhì)量連接的關(guān)鍵，其中最為重要的是焊接工具的工作部分-攪拌頭的材 料選擇。攪拌摩擦焊的實質(zhì)是攪拌頭與被焊材料之間發(fā)生熱-機作用并形成接頭，攪拌頭 在此過程中直接承受熱載、力載及摩擦磨損。在焊接鋁、鎂等較軟材料時，攪拌頭材料一般 采用工具鋼即可滿足要求，因而焊接工具通常采用整體式結(jié)構(gòu)，即攪拌頭和夾持部分為同 一材質(zhì)的整體。對于顆粒增強金屬基復合材料的攪拌摩擦焊接，堅硬陶瓷顆粒的存在使攪拌頭在 焊接過程中發(fā)生嚴重磨損，尤其是在較高轉(zhuǎn)速焊接時，磨損更為嚴重。攪拌頭磨損不僅降低 其使用壽命，無法保證長距離焊接，而且由攪拌頭磨損引入焊縫中的雜質(zhì)元素還會與復合 材料的基體元素反應(yīng)形成新的化合物，不利于接頭力學性能提高。高硬耐磨合金或結(jié)構(gòu)陶 瓷雖然可以滿足復合材料的攪拌摩擦焊的耐磨性要求，然而這些材料的制造和加工難度都 較大，并且陶瓷的脆性無法滿足攪拌摩擦焊的復雜受力條件。金屬陶瓷是由陶瓷顆粒與耐熱金屬合金組成的一種多相復合材料，具有高的硬度 和耐磨性，優(yōu)良的高溫抗氧化性、耐蝕性及與金屬較低的摩擦系數(shù)。與合金工具鋼相比，金 屬陶瓷的高硬度和耐磨性使之成為金屬基復合材料攪拌摩擦焊接工具材料的理想選擇。然 而，如果制備整體式金屬陶瓷焊接工具，不僅燒結(jié)制備困難、制備成本高、材料浪費大，而且 后續(xù)加工量大，成品率低。尤其重要的是，金屬陶瓷韌性明顯低于金屬合金，在攪拌摩擦焊 接的復雜受力情況下易于損傷?？紤]到，由軸肩和攪拌針組成的攪拌頭是焊接的工作部分， 主要要求磨損性能；而夾持端在焊接時承受較大的扭力和橫向剪切力，需要良好的韌性，因 而設(shè)計由不同特性材料組成的復合式焊接工具，可望獲得最佳的焊接工具性能
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊 接工具，解決現(xiàn)有技術(shù)中整體式金屬陶瓷焊接工具不僅燒結(jié)制備困難、制備成本高、材料浪 費大，而且后續(xù)加工量大、成品率低等問題，適用于不連續(xù)增強金屬基復合材料的攪拌摩擦 焊接。本實用新型的技術(shù)方案是
3[0008]一種用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，該復合式焊接工具設(shè) 有夾持端、軸肩和攪拌針，軸肩安裝于夾持端前端，攪拌針插裝于軸肩和夾持端；所述焊接 工具的軸肩和攪拌針采用高強耐磨金屬陶瓷材料，焊接工具的夾持端采用合金工具鋼，焊 接工具由兩種材料通過真空釬焊連接復合構(gòu)成。所述高強耐磨金屬陶瓷材料以陶瓷顆粒為增強相，以耐高溫金屬合金為粘結(jié)相， 由粉末冶金真空燒結(jié)方法制備，硬度HRC54 65。所述增強相為TiC、Ti (C，N)、WC或TiB2，粘結(jié)相為Ni基、Co基或Fe基合金。所述焊接工具軸肩和攪拌針可選用不同硬度的金屬陶瓷材料，軸肩用金屬陶瓷硬 度稍低，攪拌針用金屬陶瓷硬度稍高。所述焊接工具的軸肩、攪拌針及夾持端采用真空釬焊方法連接，選用銅基或鎳基 焊料。所述金屬基復合材料是指各種陶瓷顆?；蚓ы氃鰪姷匿X基、鎂基、銅基或鋅基復 合材料。本實用新型提供的真空釬焊連接技術(shù)，包括如下步驟1、選用銅基或鎳基片狀或膏狀焊料，如CuMnCo、CuMnNi、BNi_2焊料等。2、焊接工具夾持端、軸肩、攪拌針與焊料裝配好后在非焊接表面涂防焊阻流劑，施 加壓塊后放入真空釬焊爐中進行加熱釬焊。3、真空釬焊溫度為1000 1100°C，保溫時間30 60min。另外，本實用新型提供的復合式焊接工具也可以僅將焊接工具夾持端與金屬陶瓷 軸肩兩者之間進行真空釬焊連接，而攪拌針采用緊固螺栓固定，從而形成一種復合-組合 一體式焊具結(jié)構(gòu)。本實用新型的有益效果是本實用新型的復合式焊接工具與傳統(tǒng)鋼質(zhì)焊接工具相比，在攪拌摩擦焊接顆粒增 強金屬基復合材料時，其耐磨性和使用壽命可提高100倍以上，且不會引入雜質(zhì)污染焊縫， 可獲得高的焊縫強度系數(shù)和高的焊縫表面質(zhì)量。另外，本專利采用釬焊連接結(jié)構(gòu)，即可節(jié)約 價格昂貴且難加工的金屬陶瓷材料，又降低了焊接工具的加工成本，還便于攪拌針形狀的 修改，大大提高了焊接工具的靈活性、可靠性及實用性。

圖1為本實用新型的復合式焊接工具結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的復合_組合一體式焊接工具結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1夾持端；2軸肩；3攪拌針；4釬焊焊縫；5緊固螺栓。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具， 主要由夾持端1、軸肩2和攪拌針3等組成，軸肩2安裝于夾持端1前端，攪拌針3插裝于軸 肩2和夾持端1，夾持端1選用合金工具鋼，軸肩2和攪拌針3采用高強耐磨金屬陶瓷，軸肩 及攪拌針可選用不同硬度的金屬陶瓷材料，軸肩用金屬陶瓷硬度稍低，攪拌針用金屬陶瓷 硬度稍高。本實用新型中，夾持端1、軸肩2和攪拌針3采用真空釬焊技術(shù)連接成復合式焊接工具，軸肩2、攪拌針3與夾持端1之間為釬焊焊縫4。如圖2所示，本實用新型用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具， 也可以僅將焊接工具夾持端1與金屬陶瓷軸肩2兩者之間進行真空釬焊連接，軸肩2與夾 持端1之間為釬焊焊縫4，而攪拌針3采用緊固螺栓5固定，從而形成復合-組合一體式焊 具結(jié)構(gòu)。本實用新型提供的高強耐磨金屬陶瓷材料以陶瓷顆粒(如TiC、Ti (C，N)、WC或 TiB2)為增強相，以耐熱金屬合金(如Ni基、Co基或Fe基)為粘結(jié)相，由粉末冶金真空燒 結(jié)方法制備，硬度HRC54 65。實施例1焊接工具夾持端選用H13鋼，與軸肩接觸端尺寸為012mm。軸肩選用Ti (C，N)/ NiCr金屬陶瓷，硬度HRC56，尺寸為外圓①12mm，內(nèi)孔①4mm，高度4mm。攪拌針選用Ti (C， N) /NiCr金屬陶瓷，硬度為HRC63，尺寸①4 X 18mm,伸出軸肩部分長3mm。釬焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0.2mm。焊接工具夾持端、軸肩、攪拌針與焊料裝配好后在非焊接表面涂防焊阻 流劑，施加壓塊后放入真空釬焊爐中進行加熱釬焊。真空釬焊溫度為1050°C，保溫時間 60mino采用該實施例制造的復合式焊接工具攪拌摩擦焊接3mm厚17vol. % SiC/2009Al 復合材料板，在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接2000mm焊縫后， 該復合式焊接工具攪拌針3及軸肩2部分無明顯磨損，焊縫前端、尾端強度系數(shù)無明顯變 化，均達到85%以上。對比例1焊接工具為采用H13鋼制造的整體式結(jié)構(gòu)，工具幾何尺寸與實施例1完全相同，加 工后進行淬火和回火處理，硬度為HRC47。采用H13鋼焊接工具進行3mm厚17vol. % SiC/2009Al復合材料板的攪拌摩擦焊 接，在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接1000mm焊縫后，攪拌針 已發(fā)生嚴重磨損，攪拌針重量減少24%，軸肩部分也發(fā)生明顯磨損，前端焊縫強度系數(shù)約 80 %，尾端焊縫強度系數(shù)僅約62 %。實施例2焊接工具夾持端選用M42鋼，與軸肩接觸端尺寸為0 20mm。軸肩選用Ti(C，N)/ NiCr金屬陶瓷，硬度HRC56，尺寸為外圓①20mm，內(nèi)孔①8mm，高度5mm。釬焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0. 2mm。焊接工具夾持端、軸肩與焊料裝配好后在非焊接表面涂防焊阻流劑，施加 壓塊后放入真空釬焊爐中進行加熱釬焊。真空釬焊溫度為1050°C，保溫時間60min。攪拌 針選用硬度為HRC63的Ti(C，N)/NiCr金屬陶瓷，尺寸OSX25mm，攪拌針采用M6螺栓固定 在焊接工具夾持端，如圖2所示。攪拌針伸出軸肩部分長6mm。采用該實施例制造的復合_組合一體式焊接工具攪拌摩擦焊接6mm厚20vol. % SiC/2009Al復合材料板，在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接 2000mm焊縫后，該復合-組合式焊接工具攪拌針及軸肩部分無明顯磨損，焊縫前端、尾端強 度系數(shù)變化不明顯，均達到80%以上。對比例2焊接工具為采用M42鋼制造的整體式結(jié)構(gòu)，工具幾何尺寸與實施例2完全相同，加工后進行淬火和回火處理，硬度為HRC66。采用M42鋼焊接工具進行6mm厚20vol. % SiC/2009Al復合材料板的攪拌摩擦焊 接，在轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接1000mm焊縫后，攪拌針 已發(fā)生嚴重磨損，攪拌針重量減少21%，軸肩部分也發(fā)生明顯磨損，前端焊縫強度系數(shù)約 78 %，尾端焊縫強度系數(shù)僅約63 %。實施例3焊接工具夾持端選用H13鋼，與軸肩接觸端尺寸為0 20mm。軸肩選用WC_Co硬質(zhì) 合金，硬度HRC62，尺寸為外圓0 20mm，內(nèi)孔0 8mm，高度5mm。釬焊料采用CuMnCo焊料，厚 度0. 2mm。焊接工具夾持端、軸肩與焊料裝配好后在非焊接表面涂防焊阻流劑，施加壓塊后 放入真空釬焊爐中進行加熱釬焊。真空釬焊溫度為1040°C，保溫時間60min。攪拌針選用 與軸肩相同硬度的WC-Co硬質(zhì)合金，尺寸①8 X 25mm,攪拌針采用M6螺栓固定在焊接工具夾 持端，如圖2所示。攪拌針伸出軸肩部分長6mm。采用該實施例制造的復合-組合一體式焊接工具攪拌摩擦焊接6mm厚15vol. % B4C/6061A1復合材料板，在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接 1000mm焊縫后，該復合-組合式焊接工具攪拌針及軸肩部分無明顯磨損，焊縫前端、尾端強 度系數(shù)變化不明顯，均達到80%以上。對比例3焊接工具為采用H13鋼制造的整體式結(jié)構(gòu)，工具幾何尺寸與實施例3完全相同，加 工后進行淬火和回火處理，硬度為HRC47。采用H13鋼焊接工具進行6 mm厚15vol. % B4C/6061A1復合材料板的攪拌摩擦焊 接，在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接500mm焊縫后，攪拌針已發(fā) 生嚴重磨損，攪拌針重量減少20%，軸肩部分也發(fā)生明顯磨損，前端焊縫強度系數(shù)約78%， 尾端焊縫強度系數(shù)僅約67%。實施例4焊接工具夾持端選用M42鋼，與軸肩接觸端尺寸為OlSmm。軸肩選用Ti(C，N)/ NiCr金屬陶瓷，硬度HRC56，尺寸為外圓①18mm，內(nèi)孔①7mm，高度5mm。釬焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0. 2mm。焊接工具夾持端、軸肩與焊料裝配好后在非焊接表面涂防焊阻流劑，施加 壓塊后放入真空釬焊爐中進行加熱釬焊。真空釬焊溫度為1050°C，保溫時間60min。攪拌 針選用硬度為HRC63的Ti(C，N)/NiCr金屬陶瓷，尺寸①7 X 24mm，攪拌針采用M6螺栓固定 在焊接工具夾持端，如圖2所示。攪拌針伸出軸肩部分長5mm。采用該實施例制造的復合-組合一體式焊接工具攪拌摩擦焊接5mm厚15vol. % SiC/AZ91復合材料板，在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接1000mm 焊縫后，該復合-組合式焊接工具攪拌針及軸肩部分無明顯磨損，焊縫前端、尾端強度系數(shù) 變化不明顯，均達到82 %以上。對比例4焊接工具為采用M42鋼制造的整體式結(jié)構(gòu)，工具幾何尺寸與實施例4完全相同，加 工后進行淬火和回火處理，硬度為HRC66。采用M42鋼焊接工具進行5mm厚15vol. % SiC/AZ91復合材料板的攪拌摩擦焊接， 在轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分、焊速為100mm/分焊接參數(shù)下，連續(xù)焊接500mm焊縫后，攪拌針已發(fā)生嚴重磨損，攪拌針重量減少14%，軸肩部分也發(fā)生明顯磨損，前端焊縫強度系數(shù)約78%，尾 端焊縫強度系數(shù)約70%。
權(quán)利要求一種用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征在于該復合式焊接工具設(shè)有夾持端、軸肩和攪拌針，軸肩安裝于夾持端前端，攪拌針插裝于軸肩和夾持端，所述焊接工具的軸肩和攪拌針采用高強耐磨金屬陶瓷材料，焊接工具的夾持端采用合金工具鋼，焊接工具由兩種材料通過真空釬焊連接復合構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征 在于，所述高強耐磨金屬陶瓷材料以陶瓷顆粒為增強相，以耐高溫金屬合金為粘結(jié)相，由粉 末冶金真空燒結(jié)方法制備，硬度HRC54 65。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征 在于，所述增強相為TiC、Ti (C，N)、WC或TiB2，粘結(jié)相為Ni基、Co基或Fe基合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具， 其特征在于，所述焊接工具軸肩和攪拌針可選用不同硬度的金屬陶瓷材料，軸肩用金屬陶 瓷硬度稍低，攪拌針用金屬陶瓷硬度稍高。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特 征在于，所述焊接工具的軸肩、攪拌針及夾持端采用真空釬焊方法連接，選用銅基或鎳基焊 料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征 在于，所述焊接工具也可只將夾持端與金屬陶瓷軸肩兩者之間進行真空釬焊連接，而攪拌 針采用緊固螺栓固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征 在于，所述真空釬焊溫度為1000 1100°C，保溫時間30 60min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于金屬基復合材料攪拌摩擦焊接的復合式焊接工具，其特征 在于，所述金屬基復合材料是指各種陶瓷顆?；蚓ы氃鰪姷匿X基、鎂基、銅基或鋅基復合材 料。
專利摘要本實用新型涉及金屬基復合材料和焊接領(lǐng)域，特別提供了一種由金屬陶瓷與合金工具鋼采用真空釬焊連接技術(shù)制備的復合式攪拌摩擦焊接工具，該焊接工具適用于顆粒增強金屬基復合材料的攪拌摩擦焊接。所述焊接工具的軸肩和攪拌針采用高強耐磨金屬陶瓷材料，而夾持端采用合金工具鋼，焊接工具由兩種材料通過真空釬焊連接構(gòu)成。所述焊接工具用高強耐磨金屬陶瓷材料是以陶瓷顆粒為增強相，以耐熱金屬合金為粘結(jié)相，通過粉末冶金真空燒結(jié)方法制備。本實用新型的復合式焊接工具與傳統(tǒng)鋼質(zhì)焊接工具相比，在攪拌摩擦焊接顆粒增強金屬基復合材料時，其耐磨性和使用壽命可提高100倍以上，且不會引入雜質(zhì)污染焊縫，可獲得高的焊縫強度系數(shù)和高的焊縫表面質(zhì)量。
文檔編號B23K20/26GK201613422SQ20092028833
公開日2010年10月27日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者王東, 王全兆, 肖伯律, 馬宗義 申請人:中國科學院金屬研究所