本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質(zhì)量焊接。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種固相連接新工藝技術(shù)，可有效避免傳統(tǒng)熔化焊產(chǎn)生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節(jié)能環(huán)保、連接溫度低、焊后殘余應(yīng)力小以及接頭性能高等一系列優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)認(rèn)為不可焊的高強(qiáng)鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質(zhì)量焊接，裝置示意圖如圖1。自發(fā)明起便受到了廣泛的關(guān)注，是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短的連接技術(shù)，被譽(yù)為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理是一個(gè)帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入對(duì)接板材的接縫處，直至軸肩與工件緊密接觸，在摩擦熱和攪拌針擠壓的作用下，材料發(fā)生軟化，攪拌針的攪動(dòng)作用使接縫兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性流變和混合，通過焊接工具的前移形成密實(shí)無缺陷的焊縫。

金屬材料經(jīng)過攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產(chǎn)生的高溫?zé)嵫h(huán)作用下，強(qiáng)化相會(huì)發(fā)生粗化或回溶，導(dǎo)致焊縫的熱機(jī)影響區(qū)成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，在硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時(shí)，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進(jìn)一步影響了焊接接頭的綜合性能。

表面納米化作為表面強(qiáng)化的一種新手段，能夠在材料表層形成梯度納米結(jié)構(gòu)層，獲得高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨等優(yōu)異性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種焊前表面納米化處理的攪拌摩擦焊接金屬材料方法，能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區(qū)，提高攪拌摩擦焊接頭的綜合性能。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

對(duì)待焊基材表面進(jìn)行研磨、拋光；然后進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，在待焊基材表面形成一層厚度不低于50μm的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm；用丙酮去除表面納米化后的待焊基材表面油污，然后進(jìn)行攪拌摩擦焊；焊接結(jié)束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區(qū)域打磨光滑。

所述的超音速微粒轟擊表面納米化處理的彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110、SiO₂、BN或WC，彈丸直徑為0.05～0.5mm，噴射角為60°～90°，工作氣壓為0.1～0.53MPa，氣流速率為340～1200m/s，噴射距離為10～300mm，噴射時(shí)間為0.1～300min。

所述的攪拌摩擦焊分預(yù)焊和正式焊，預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1～20mm，攪拌針長度為1～15mm，端部直徑為1～15mm，根部直徑為1～20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50～1000r/min，焊接速度為50～1000mm/min，攪拌頭傾斜角為0～5°，壓入深度為0～1mm；正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1～20mm，攪拌針長度為1～15mm，端部直徑為1～15mm，根部直徑為1～20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100～2000r/min，焊接速度為100～1000mm/min，攪拌頭傾斜角為0～5°，壓入深度為0～1mm。

本發(fā)明的有益效果是：能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區(qū)，通過提高焊縫中熱機(jī)影響區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)的性能，達(dá)到提高焊接接頭綜合性能的目的，進(jìn)一步擴(kuò)展攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用范圍。具體優(yōu)點(diǎn)如下：

1、金屬材料經(jīng)過超音速微粒轟擊后生成的表面納米層厚，有利于提高焊縫中納米層區(qū)的體積占比，通過熱機(jī)影響區(qū)中制備出納米晶的優(yōu)異性能，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、耐點(diǎn)蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能)；

2、工藝簡單易行、成本低廉，無目前所使用的陽極化工藝的環(huán)境污染問題，耗能少，丸粒的重復(fù)使用率高，降低了攪拌摩擦焊接件的缺陷率；

3、適用范圍廣，本發(fā)明可以適用于各種金屬材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、儀表、船舶、飛機(jī)、航空航天材料、礦山設(shè)備、化工等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是攪拌摩擦焊工藝原理示意圖；

圖2是超音速微粒轟擊法示意圖；

圖3是2A14鋁合金橫截面顯微組織的OM像；

圖4是經(jīng)超音速微粒轟擊處理后待焊基材橫截面形貌的OM像；

圖5是待焊基材經(jīng)超音速微粒轟擊技術(shù)處理后表層截面的TEM像，其中，(a)是明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣，(b)是暗場像；

圖6是焊縫內(nèi)熱機(jī)影響區(qū)中的納米層區(qū)OM像；

圖7是納米層區(qū)中納米晶的TEM像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

本發(fā)明屬于金屬材料攪拌摩擦焊領(lǐng)域，具體說是待焊金屬基材表面經(jīng)過表面納米化處理后，采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接的方法。本發(fā)明采用超音速微粒轟擊技術(shù)，利用高壓氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生的高壓氣體攜帶硬質(zhì)球形顆粒以340～1200m/s的速度連續(xù)轟擊待焊金屬基材表面，使其表面形成一定厚度的納米層，采用攪拌摩擦焊技術(shù)將待焊基材焊接起來，在焊縫中形成納米層區(qū)，提高焊接接頭的綜合性能。本發(fā)明適用范圍廣，裝置簡單易操作、成本低、生產(chǎn)效率高、無污染，焊接接頭綜合性能提高明顯。

本發(fā)明以金屬材料為對(duì)象，首先將待焊基材表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)待焊基材進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110、SiO₂、BN、WC，彈丸直徑0.05-0.5mm，噴射角60°-90°，工作氣壓0.1-0.53MPa，氣流速率340-1200m/s，噴射距離10-300mm，噴射時(shí)間0.1-300min。處理完后，待焊基材表面形成一層不低于50μm厚的納米層，表面納米晶粒的平均尺寸不大于50nm。

利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對(duì)表面納米化后的待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為50-1000r/min，焊接速度為50-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為1-20mm，攪拌針長度為1-15mm，端部直徑1-15mm，根部直徑1-20mm，旋轉(zhuǎn)速度為100-2000r/min，焊接速度為100-1000mm/min，攪拌頭傾斜角0-5°，壓入深度為0-1mm。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。

本發(fā)明的實(shí)施例以2A14鋁合金為處理對(duì)象，2A14為Al-Mg-Si-Cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的鋁合金板，將待焊基材表面進(jìn)行常規(guī)研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數(shù)控噴丸機(jī)對(duì)待焊基材進(jìn)行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數(shù)為：彈丸材質(zhì)為不銹鋼S110，彈丸直徑0.3mm，噴射角90°，工作氣壓0.53MPa，氣流速率1200m/s，噴射距離130mm，噴射時(shí)間10min。處理完后，待焊基材表面形成一層約50μm厚的納米層(如圖4)，表面晶粒由基體的50μm(如圖3)減小到納米層晶粒的30nm，納米晶的TEM明場像及相應(yīng)選取電子衍射花樣、暗場像如圖5所示。

采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)2A14鋁合金待焊基材表面納米化處理完后，利用上海拓璞數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對(duì)待焊基材沿長度方向進(jìn)行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預(yù)焊采用的攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針長度為2mm，端部直徑5mm，根部直徑6mm，旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，焊接速度為400mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.2mm)。正式焊采用的攪拌頭軸肩直徑為18mm，攪拌針長度為3mm，端部直徑6mm，根部直徑7mm，旋轉(zhuǎn)速度為600r/min，焊接速度為200mm/min，攪拌頭傾斜角2.5°，壓入深度充分(0.3mm)。焊接結(jié)束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區(qū)域打磨光滑。最終在焊縫薄弱環(huán)節(jié)的熱機(jī)影響區(qū)中制備出納米層區(qū)(如圖6)，納米層區(qū)內(nèi)的納米晶的TEM明場像如圖7所示。