一種工件涂層的表面處理方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種工件涂層的表面處理方法和裝置，其特征在于：采用頂部為平面或弧形面的旋壓摩擦頭對工件的基體材料表面涂層做旋壓摩擦加工，旋壓摩擦加工的同時對工件或旋壓摩擦頭施加超聲振動。裝置主要包括夾持并使處理電極旋轉(zhuǎn)的工作臺、集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置、超聲波電源。本發(fā)明裝置集旋壓摩擦處理與超聲波改性為一體，在超聲波和旋壓摩擦共同作用下，改善電火花沉積工藝所固有的涂層缺陷（孔洞、涂層不連續(xù)，涂層疏松等），并保持涂層材質(zhì)的純凈不變，進而保持其物理和機械性能不變。本發(fā)明具有改善涂層性能，操作簡單、成本低、適用性強等優(yōu)點。
【專利說明】一種工件涂層的表面處理方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工件涂層的旋壓摩擦處理方法，它適用于改善材料涂層，提別是涂層電極的涂層與基體的結(jié)合強度、提高涂層的致密性，進一步提高涂層電極壽命的要求。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，普通鋼板已不能滿足汽車耐腐蝕、輕量化發(fā)展的需要。為了滿足未來汽車行業(yè)發(fā)展需求，各種鍍層鋼板，特別是鍍鋅鋼板在汽車上應(yīng)用愈來愈廣泛。同時為了節(jié)能減排，汽車輕量化也逐漸成為汽車生產(chǎn)行業(yè)考慮的主要問題之一。介于汽車輕量化發(fā)展需要，鋁合金板逐漸顯現(xiàn)其在汽車輕量化發(fā)展中的優(yōu)勢。雖然，生產(chǎn)汽車的材料具有可選擇性，但是其生產(chǎn)工藝可供工選擇的方法并不多，主要方法仍以焊接為主，且電阻點焊占據(jù)了相當(dāng)多工位的生產(chǎn)(特別是車身基本以電阻點焊為主)。在鍍層鋼板或鋁合金板點焊過程中，都暴露出點焊電極壽命過低的問題，這變相增加了生產(chǎn)消耗，使得生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高。針對這一問題，研究人員進行了深入探討，已取得了一些卓有成效的研究成果并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。最具代表性的是，通過電火花沉積工藝，在點焊電極表面沉積一層保護材料(金屬或是金屬陶瓷)，以此降低點焊電極合金化以及塑性變形等因素所導(dǎo)致其壽命較短問題。
[0003]電火花沉積技術(shù)(electro spark deposition)是利用短脈寬、高頻率的脈沖電源把電極材料焊接到金屬集體上的一種脈沖電弧微焊接技術(shù)。電火花沉積技術(shù)(ESD)的主要優(yōu)點是能夠用低的熱輸入使電極材料與基體合金化結(jié)合。由于電火花放電時的熱沖擊作用，必然伴隨一些該工藝所固有的缺陷，圖5是點焊電極電火花沉積后具有代表性的涂層缺陷(疏松、裂紋以及涂層不均勻)
Chen Zheng等人在點焊電極電火花表面沉積TiC涂層時也發(fā)現(xiàn)了此類問題，為了修復(fù)這些缺陷，Chen Zheng等人采用激光重熔對點焊電極表面的TiC涂層進行后處理，雖然涂層的缺陷得以改善，但電極的壽命`并沒有得到提高，主要原因是激光溫度太高導(dǎo)致了電極基體退火而軟化。這從一個方面說明，對電極表面涂層的后處理溫度不能高于電極基體(銅合金)的退火溫度，否則將會導(dǎo)致電極基體軟化。
[0004]攬拌摩擦焊(Friction Stir Welding,簡稱FSW)是英國焊接研究所(The WeldingInstitute)于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭(welding pin)即攪拌針伸入工件的接縫處,通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn),使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化.同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。在攪拌摩擦焊接工藝過程中，為了達到晶粒細(xì)化之目的，國內(nèi)外研究者針對不同加工工藝做了一些研究，其中以超聲波作為輔助條件細(xì)化晶粒的報道較多，涉及的領(lǐng)域也較廣，包括鑄造、焊接，以及表面處理。具有代表性的是，Kwanghyun Park首次研究了超聲波輔助攪拌摩擦點焊的設(shè)備和工藝，和攪拌摩擦焊工藝相比，超聲波輔助攪拌摩擦焊能得到性能更好的焊接接頭。
[0005]攪拌摩擦處理技術(shù)是借鑒攪拌摩擦焊接工藝的一種新興復(fù)合材料制備方法和表面改性手段，由于攪拌摩擦處理特有的熱-機械特點，目前已經(jīng)應(yīng)用于表面材料制備及處理當(dāng)中。周小平等人通過攪拌摩擦處理(中國發(fā)明專利CN201010570898.8鋁合金表面反應(yīng)噴涂及攪拌摩擦焊接的Α1203+--Β2+Α1復(fù)合涂層及其制備方法)，對熱噴涂獲得的Α1203-Τ?Β2復(fù)相涂層進行了后處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層經(jīng)攪拌摩擦處理后，其致密度、顯微硬度都有所改善。
[0006]相似的，中國發(fā)明專利“一種基于超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝制備超細(xì)晶/納米晶板材的方法(CN201310050662.5) ”，“一種控冷環(huán)境下超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法(CN 201310049003.X)”，“一種實現(xiàn)材料表面超細(xì)晶/納米化的超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝方法(CN 201310049927.X)”，這三個專利都采用了超聲輔助半固態(tài)攪拌摩擦加工工藝，但依然采用了攪拌針進行表面處理，使得此三種專利對表面涂層無法進行表面處理。
[0007]由于攪拌摩擦處理要用攪拌針將涂層從基體上翻起，被同時翻起的部分基體材質(zhì)會混入涂層材質(zhì)內(nèi)，從而導(dǎo)致涂層的物理或機械性能變壞，此外攪拌摩擦處理的加工難度和耗能也都過大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對電火花涂層電極所特有的涂層缺陷，提供一種工件涂層的表面處理方法和裝置，克服現(xiàn)有激光重熔消除點焊電極涂層缺陷方法的電極壽命短問題，和攪拌摩擦處理涂層缺陷時，涂層物理或機械性能變異以及加工難度和耗能大的問題，具有成本低、操作簡單、適用性強等優(yōu)點。
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案是:一種工件涂層的表面處理方法，其特征在于:采用頂部為平面或弧形面旋壓摩擦頭對工 件的基體材料表面涂層做旋壓摩擦加工，旋壓摩擦加工的同時對工件或旋壓摩擦頭施加超聲振動。此處的旋壓摩擦頭頂部為平面或弧形面是指外形沒有凸起的攪拌針，表面是平展的。
[0010]采用旋壓摩擦加工不會將涂層從工件的基體材料上翻起，更不會翻動基體材料，可以保持涂層的成分不發(fā)生變化，再配以超聲振動，兩者相結(jié)合保證了涂層與基體材料的高強度結(jié)合，涂層缺陷(疏松、裂紋以及涂層不均勻)也被消除，而且涂層的物理和機械性能得以提高，該方法比攪拌摩擦處理成本低、操作簡單、適用性強。
[0011]當(dāng)工件與旋壓摩擦頭做相向運動，就可以在工件涂層表面做連續(xù)的加工處理，從而在不改變涂層成分的前提下改善整個涂層面的缺陷提高涂層的性能。
[0012]一種工件涂層的表面處理裝置，其特征在于:包括夾持被處理工件的工作臺、集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置、超聲波電源，所述的旋壓摩擦裝置由旋壓摩擦器和超聲振動器組成，超聲波電源與超聲振動器電連接，旋壓摩擦器的摩擦頭頂部是平面或弧形面。此處的平面或弧形面是指外形沒有凸起的攪拌針，表面是平展的。
[0013]工件涂層的表面處理裝置的主要構(gòu)件:夾持并使處理電極旋轉(zhuǎn)的工作臺包括:支架、電機、傳動帶、皮帶輪、軸承、傳動軸、鉆夾頭、雙導(dǎo)軌；
集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置包括:雙滑塊、上下面板、絲桿、超聲波輸入端正極、超聲波輸入端負(fù)極、導(dǎo)電滑塊、軸承、皮帶輪、三角傳動帶、電機、換能器、變幅桿、旋壓摩擦頭、整體外殼；超聲波電源包括:超聲波輸出端正極、超聲波功率旋鈕、超聲波輸出端負(fù)極、超聲波電源開關(guān)。
[0014]將上述工作臺、旋壓摩擦裝置和超聲波電源連接成一個整體，工作臺電機固定于支架上，電機通過傳動帶以及皮帶輪在軸承的作用下帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，用于夾持被處理涂層電極的鉆夾頭固定于轉(zhuǎn)軸上，工作臺的導(dǎo)軌與旋壓摩擦裝置的滑塊配套使用，實現(xiàn)旋壓摩擦裝置可以往復(fù)運動，進而滿足旋壓摩擦處理的需要；旋壓摩擦裝置的下面板通過固定于自身之上的絲桿與固定有旋壓摩擦組件的上面板相連，通過絲桿可以實現(xiàn)旋壓摩擦組件的上下移動，同時實現(xiàn)處理過程中壓力加載；旋壓摩擦裝置的超聲波輸入端正極和負(fù)極分別與超聲波電源輸出端正極和負(fù)極相連；導(dǎo)電滑塊與換能器通過導(dǎo)線連接，換能器與變幅桿連接；旋壓摩擦頭在皮帶輪、三角傳動帶、電機以及軸承的共同作用進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對材料涂層旋壓摩擦處理，旋壓摩擦裝置通過外殼進行封裝。
[0015]上述工作臺，在電機的驅(qū)動下，通過皮帶、皮帶輪、軸承的共同作用，帶動裝有鉆夾頭的軸旋轉(zhuǎn)。集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置，通過下面板上的雙滑塊與工作臺上的雙導(dǎo)軌進行配套使用，相對被處理工件做往復(fù)運動。
[0016]上述旋壓摩擦組件，固定于上面板之上，上下面板之間通過絲桿連接，絲桿不僅可以實現(xiàn)旋壓摩擦裝置的上下移動，還可以通過調(diào)節(jié)絲桿向被處理工件施以一定的壓力。旋壓摩擦裝置在電機的驅(qū)動下，通過皮帶、軸承帶動旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)絲桿，使得裝配有無旋壓針旋壓摩擦頭的旋壓摩擦裝置與被處理工件接觸，并施以一定的壓力，同時在超聲波作用下，實現(xiàn)對工件涂層的旋壓摩擦處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為發(fā)明裝置原理示意圖；
圖2為夾持并使處理電極旋轉(zhuǎn)的工作臺結(jié)構(gòu)圖；
圖3為集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖4超聲波發(fā)生器電源圖；
圖5電火花涂層電極缺陷一(a, b)表面(C)橫截面；
圖6超聲波旋壓摩擦處理前后涂層電極顯微形貌對比圖——(a)未超聲波旋壓摩擦處理、(b)涂層電極超聲波旋壓摩擦處理后。
[0018]圖中標(biāo)記:A:工作臺；B:旋壓摩擦裝直；C:超聲波電源；D:壓力；E:直接裝配在超聲波發(fā)生器裝置上的旋壓摩擦頭；F:電極涂層；G:超聲波旋壓摩擦表面處理；
涂層電極1，支架2，電機3，傳動帶4，皮帶輪5，軸承6，傳動軸7，鉆夾頭8，導(dǎo)軌9，導(dǎo)軌10，滑塊11，下面板12，絲桿13，上面板14，超聲波輸入端正極15，超聲波輸入端負(fù)極16，導(dǎo)電滑塊17，軸承18，皮帶輪19，三角傳動帶20，電機21，換能器22，變幅桿23，旋壓摩擦頭24，整體外殼25，滑塊26，超聲波輸出端正極27，超聲波功率旋鈕28，超聲波輸出端負(fù)極29，超聲波電源開關(guān)30。`【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明實施例的涂層電極后處理原理及裝置的相關(guān)部件結(jié)構(gòu)示意圖如1、2，3，4所示，主要構(gòu)件包括夾持并使處理電極旋轉(zhuǎn)的工作臺A，包括支架2、電機3、傳動帶4、皮帶輪5、軸承6、傳動軸7、鉆夾頭8、導(dǎo)軌9、導(dǎo)軌10 ;集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置B，包括滑塊11、下面板12、絲桿13、上面板14、超聲波輸入端正極15、超聲波輸入端負(fù)極16、導(dǎo)電滑塊17、軸承18、皮帶輪19、三角傳動帶20、電機21、換能器22、變幅桿23、旋壓摩擦頭24、整體外殼25、滑塊26 ;超聲波電源C，包括超聲波輸出端正極27、超聲波功率旋鈕28、超聲波輸出端負(fù)極29、超聲波電源開關(guān)30。將上述構(gòu)件ABC連接成一個整體，工作臺A的電機3固定于支架2上，電機3通過傳動帶4以及皮帶輪5在軸承6的共同作用下帶動傳動軸7旋轉(zhuǎn)，用于夾持被處理涂層電極的鉆夾頭8固定于轉(zhuǎn)軸7上，導(dǎo)軌9與10分別與旋壓摩擦裝置B的滑塊11和26配套使用，實現(xiàn)旋壓摩擦裝置B可以相對被處理涂層電極I做往復(fù)運動，進而滿足旋壓摩擦處理的需要；下面板12通過固定于自身之上的絲桿13與固定有旋壓摩擦組件的上面板14相連，絲桿13可以實現(xiàn)旋壓摩擦裝置B的上下移動，同時實現(xiàn)處理過程中壓力加載；超聲波輸入端正極15和負(fù)極16分別與超聲波電源C輸出端正極27和負(fù)極29相連；導(dǎo)電滑塊17與換能器22通過導(dǎo)線連接，換能器22與變幅桿23連接；旋壓摩擦頭24的頂部是平面或弧形面，旋壓摩擦頭24在皮帶輪19、三角傳動帶20、電機21以及軸承的共同作用進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對涂層電極I的涂層旋壓摩擦處理。
[0020]本實施例中，上述工作臺A，在電機的驅(qū)動下，通過皮帶、皮帶輪、軸承的共同作用，帶動裝有鉆夾頭的軸旋轉(zhuǎn)。集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置B，通過下面板上的雙滑塊與工作臺上的雙導(dǎo)軌進行配套使用，實現(xiàn)被處理電極往復(fù)運動。
[0021]本實施例中，上述旋壓摩擦組件，固定于上面板14之上，上下面板之間通過絲桿13連接，絲桿13不僅可以實現(xiàn)旋壓摩擦組件的上下移動，還可以通過調(diào)節(jié)絲桿13向被處理工件施以一定的壓力。旋壓摩擦裝置B在電機的驅(qū)動下，通過皮帶、軸承帶動旋轉(zhuǎn)。通過調(diào)節(jié)絲桿，使得裝配有無旋壓針旋壓摩擦頭的旋壓摩擦裝置與被處理工件接觸，并施以一定的壓力，同時在超聲波作用下，實現(xiàn)對涂層電極的旋壓摩擦處理。
[0022]本發(fā)明實施例的涂層電極超聲波旋壓摩擦處理工藝，包括以下步驟。
`[0023]I)對待處理涂層電極進行正確裝夾。
[0024]2)開啟電源，包括工作臺電機電源、超聲波電源、旋壓摩擦裝置傳動電源，并調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，主要包括壓力大小，傳動裝置轉(zhuǎn)速，旋壓摩擦頭轉(zhuǎn)速，超聲波功率等。處理過程中旋壓摩擦頭在超聲波旋壓摩擦裝置和施力系統(tǒng)作用下對涂層電極進行旋壓摩擦處理，外力通過絲桿提供；處理過程中，集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置隨滑塊延導(dǎo)軌作來回運動，進而實現(xiàn)整個涂層的旋壓摩擦處理。
[0025]3)待沉積結(jié)束后，關(guān)閉處理平臺電源，取下涂層電極。根據(jù)需要，可以在取下涂層電極后，再裝夾未超聲旋壓摩擦處理過的涂層電極，進行超聲旋壓摩擦處理。
[0026]4)待若無需對涂層電極進行超聲波旋壓摩擦處理時，需切斷所有電源。
[0027]本實施例中，超聲波功率為100W，超聲頻率為50kHz，旋壓摩擦頭給予涂層電極施加壓力為200N ;旋壓摩擦頭以1400r/min速度旋轉(zhuǎn)；摩擦處理時間為3min。圖6為使用本發(fā)明裝置及工藝所處理涂層電極與未經(jīng)處理涂層電極的金相對比圖，從圖6中可以清楚發(fā)現(xiàn)，使用本發(fā)明裝置后及工藝對電火花涂層電極進行超聲波旋壓摩擦處理后，其顯微形貌發(fā)生了明顯變化。主要表現(xiàn)為，涂層裂紋、孔洞，不連續(xù)有了很大改觀，且涂層電極部分區(qū)域處理前粗大的晶粒也得到一定程度細(xì)化。
[0028]本發(fā)明通過超聲波旋壓摩擦處理工藝，使得電火花涂層電極涂層結(jié)合強度提高，涂層缺陷得以改善，而且其表面涂層的材質(zhì)保持不變，涂層的物理和機械性能有較大的提高。不僅如此，本發(fā)明設(shè)備陳本低，操作簡單，本發(fā)明除應(yīng)用于點焊電極涂層缺陷修復(fù)以外還可用于其它具有涂層的零部件表面修復(fù)，具有廣闊的適用空間。本發(fā)明專利的保護范圍并不限于上述實施例，凡是不背離本發(fā)明構(gòu)思的改變或等同替代均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)(所有表面涂層的超聲波與旋壓`摩擦后處理工藝)。
【權(quán)利要求】
1.一種工件涂層的表面處理方法，其特征在于:采用頂部為平面或弧形面的旋壓摩擦頭對工件的基體材料表面涂層做旋壓摩擦加工，旋壓摩擦加工的同時對工件或旋壓摩擦頭施加超聲振動。
2.一種工件涂層的表面處理裝置，其特征在于:包括夾持被處理工件的工作臺、集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置、超聲波電源，所述的旋壓摩擦裝置由旋壓摩擦器和超聲振動器組成，超聲波電源與超聲振動器電連接，旋壓摩擦器的摩擦頭頂部是平面或弧形面。
3.如權(quán)利要求2所述的工件涂層的表面處理裝置，其特征在于:所述工作臺包括支架(2)、電機(3)、傳動帶(4)、皮帶輪(5)、軸承(6)、傳動軸(7)、鉆夾頭(8)、導(dǎo)軌(9)、導(dǎo)軌(10));集成超聲波發(fā)生器的旋壓摩擦裝置包括滑塊(11)、面板(12)、絲桿(13)、面板(14)、超聲波輸入端正極(15)、超聲波輸入端負(fù)極(16)、導(dǎo)電滑塊(17)、軸承(18)、皮帶輪(19)、三角傳動帶(20)、電機(21)、換能器(22)、變幅桿(23)、旋壓摩擦頭(24)、整體外殼(25)、滑塊(26));超聲波電源包括超聲波輸出端正極(27)、超聲波功率旋鈕(28)、超聲波輸出端負(fù)極(29)、超聲波電源開關(guān)(30)； 將上述工作臺、旋壓摩擦裝置和超聲波電源連接成一個整體，工作臺電機(3)固定于支架(2 )上，電機(3 )通過傳動帶(4)以及皮帶輪(5 )在軸承(6 )的作用下帶動傳動軸(7 )旋轉(zhuǎn)，用于夾持被處理涂層工件的鉆夾頭(8)固定于轉(zhuǎn)軸(7)上，工作臺的導(dǎo)軌(9)與(10)分別與旋壓摩擦裝置的滑塊(11)和(26 )配套使用，實現(xiàn)旋壓摩擦裝置可以相對被處理工件做往復(fù)運動，進而滿足旋壓摩擦處理的需要；旋壓摩擦裝置的下面板(12)通過固定于自身之上的絲桿(13) 與固定有旋壓摩擦組件的上面板(14)相連，通過絲桿可以實現(xiàn)旋壓摩擦組件的上下移動，同時實現(xiàn)處理過程中壓力加載；旋壓摩擦裝置的超聲波輸入端正極(15)和負(fù)極(16)分別與超聲波電源輸出端正極(27)和負(fù)極(29)相連；導(dǎo)電滑塊(17)與換能器(22)通過導(dǎo)線連接，換能器(22)與變幅桿(23)連接；旋壓摩擦頭(24)的頂面為平面或弧形面，旋壓摩擦頭(24)在皮帶輪(19)、三角傳動帶(20)、電機(21)以及軸承的共同作用進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對涂層工件的旋壓摩擦處理。
【文檔編號】C22F3/00GK103805929SQ201310681469
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】董仕節(jié), 羅平, 謝志雄, 常鷹, 王輝虎, 王焱清, 楊威, 楊李安卓, 劉琪 申請人:湖北工業(yè)大學(xué)