一種焊前表面納米化處理的攪拌摩擦焊接金屬材料方法與流程

本發明涉及一種攪拌摩擦焊方法，用于金屬材料的高質量焊接。

背景技術：

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發明的一種固相連接新工藝技術，可有效避免傳統熔化焊產生的氣孔和裂紋等各種缺陷，具有節能環保、連接溫度低、焊后殘余應力小以及接頭性能高等一系列優點，可實現傳統認為不可焊的高強鋁合金(如2×××系和7×××系鋁合金)的高質量焊接，裝置示意圖如圖1。自發明起便受到了廣泛的關注，是世界焊接技術發展史上自發明到工業應用時間跨度最短的連接技術，被譽為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽車等領域的焊接方面具有廣闊的應用前景。其工作原理是一個帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉并將攪拌針擠入對接板材的接縫處，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，材料發生軟化，攪拌針的攪動作用使接縫兩側的材料產生塑性流變和混合，通過焊接工具的前移形成密實無缺陷的焊縫。

金屬材料經過攪拌摩擦焊后，焊縫在攪拌摩擦產生的高溫熱循環作用下，強化相會發生粗化或回溶，導致焊縫的熱機影響區成為焊接接頭的薄弱環節，在硬度、屈服強度、抗拉強度、應力作用下的腐蝕等方面的綜合性能亟需提高，同時，攪拌摩擦焊接頭的表面粗糙度非常大，進一步影響了焊接接頭的綜合性能。

表面納米化作為表面強化的一種新手段，能夠在材料表層形成梯度納米結構層，獲得高強度、高硬度和高耐磨等優異性能。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發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，提高攪拌摩擦焊接頭的綜合性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

對待焊基材表面進行研磨、拋光；然后進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，然后進行攪拌摩擦焊；焊接結束后鏟掉接頭上表面的飛邊，并將過渡區域打磨光滑。

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，噴射時間為0.1～300min。

所述的攪拌摩擦焊分預焊和正式焊，預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。

本發明的有益效果是：能夠在攪拌摩擦焊焊縫中形成納米層區，通過提高焊縫中熱機影響區等薄弱環節的性能，達到提高焊接接頭綜合性能的目的，進一步擴展攪拌摩擦焊的工業化應用范圍。具體優點如下：

1、金屬材料經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的體積占比，通過熱機影響區中制備出納米晶的優異性能，提高了焊接接頭的綜合性能(如：硬度、屈服強度、抗拉強度、延伸率、耐點蝕性能和耐應力腐蝕性能)；

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境污染問題，耗能少，丸粒的重復使用率高，降低了攪拌摩擦焊接件的缺陷率；

3、適用范圍廣，本發明可以適用于各種金屬材料，廣泛應用于機床、儀表、船舶、飛機、航空航天材料、礦山設備、化工等領域。

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

圖6是焊縫內熱機影響區中的納米層區OM像；

圖7是納米層區中納米晶的TEM像。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。

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

本發明以金屬材料為對象，首先將待焊基材表面進行常規研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數控噴丸機對待焊基材進行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數為：彈丸材質為不銹鋼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。

利用上海拓璞數控科技有限公司生產的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統對表面納米化后的待焊基材沿長度方向進行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預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。焊接結束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區域打磨光滑。

本發明的實施例以2A14鋁合金為處理對象，2A14為Al-Mg-Si-Cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的鋁合金板，將待焊基材表面進行常規研磨、拋光處理。采用1433/8558Progressive(DT1480)數控噴丸機對待焊基材進行超音速微粒轟擊表面納米化處理，主要參數為：彈丸材質為不銹鋼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對2A14鋁合金待焊基材表面納米化處理完后，利用上海拓璞數控科技有限公司生產的FSW5020箱底攪拌摩擦焊接系統對待焊基材沿長度方向進行攪拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。預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)。焊接結束后將接頭上表面的飛邊鏟掉，用砂輪將過渡區域打磨光滑。最終在焊縫薄弱環節的熱機影響區中制備出納米層區(如圖6)，納米層區內的納米晶的TEM明場像如圖7所示。