专利名称：一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种搅拌摩擦加工工艺方法，尤其涉及一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法。
背景技术：
:搅拌摩擦加工(Friction stir processing, FSP)是美国的Mishra博士在搅拌摩擦焊的基础上提出来的一种新的材料加工技术。这种技术的基本原理是由轴肩与搅拌针组成的搅拌工具与工件表面摩擦将工件局部加热，软化、强烈塑性变形、动态再结晶，从而在搅拌区域形成致密细小的显微组织，有利于改善材料的力学性能。目前，FSP已在金属微观组织细化、超塑性材料制备、表面复合材料以及纳米相增强金属基复合材料等方面取得了应用。从研究者的报道来看，许多基于FSP的新工艺，如水浸FSP、多道次FSP被提出，以希望获得尽可能小尺寸的显微组织，使材料在力学性等方面得到大幅度提高。发明内容:为了使铝合金、镁合金等低熔点合金材料实现表面超细晶/纳米化，提出控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，具体采用以下步骤:步骤一、将待加工的板材放置在水平的工作台上且用夹具装夹固定好；步骤二、搅拌装置以500 7000转/分的转速扎入板材表面，扎入速度为2 8mm/分，轴肩不旋转且其端面与板材上表面接触后，沿垂直板材表面的方向继续下压0.1
0.3mm,以便于超声波传递给板材的待加工部分；超声换能器的超声波通过不旋转轴肩传递放大，将超声波传递到板材的软化区，最终达到利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；其中，超声换能器产生的超声波的参数如下:频率为20 60K以及振幅为20 50 μ m。步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3 8分钟，进行材料预热；步骤四、确定搅拌工具的行进路线，打开位于搅拌工具后面的冷却装置开始加载冷源，然后搅拌工具以50 1500mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，其中两个冷却装置根据行进方向交替切换，时刻确保冷却装置位于搅拌装置后方，直到整个板材表面加工完毕为止；其中冷却介质可采用水冷或气冷等方式，冷却水的温度在O 200°C之间或冷却气体在0°C以下。搅拌装置包括搅拌工具和冷却装置，冷却装置环绕在搅拌装置的四周并可实现冷却位置的调节。其中搅拌工具由超声换能器、不旋转轴肩及搅拌针组成，超声换能器与不旋转轴肩的上端面紧密贴合，此处的不旋转轴肩充当超声换能器的变幅杆，将超声波放大并传递到待加工区域；不旋转轴肩套装在搅拌针上，其中搅拌针成锥形且带有螺纹，其直径较大，锥角小，大大增加了与材料相互摩擦的接触面，进而提高了待加工部分的温度热量，便于材料半固态现象的出现。本发明的有益效果:一、在加工过程中，被加工材料达到半固态，是一种半固态搅拌摩擦加工方法，与常规搅拌摩擦加工方法不同。为使材料达到半固态，搅拌针需高速旋转，使具有更小粘度的半固态材料经历更大的应变以及应变速率，以利于晶粒细化。二、在加工过程中，搅拌针高速旋转产生热量，不旋转轴肩面向出现液化成份的材料表面施加超声波振动，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒；三、在加工过程中，轴肩不旋转，因此不会产生弧纹等结构，使加工后的材料后处
理工作简单；四、在加工过程中，利用紧随搅拌加工工具同步移动的激冷装置，在搅拌工具后面形成马鞍形温度场，可大幅度缩短加工后材料晶粒的长大时间，使铝合金、镁合金等低熔点材料的表面超细晶/纳米晶化成为可能。同时，具有温差拉伸效应的马鞍形温度场可减少由加工热引起的热变形。
:图1是搅拌装置的结构示意图。图2是本发明的工艺过程示意图。图3是搅拌摩擦加工过程搅拌工具与板材的位置关系示意图。图中1.超声换能器，2.不旋转轴肩，3.搅拌针，4.冷却装置，5.搅拌工具，6.板材。
具体实施方式
:实施例1如图1-图3所示，一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，具体采用以下步骤:步骤一、将待加工的板材6放置在水平的工作台上且用夹具装夹固定好；步骤二、搅拌针3以5000转/分的转速ω扎入板材表面，扎入速度V为2mm/分，轴肩2不旋转且其端面与板材6上表面接触后，沿垂直板材6表面的方向继续下压0.2mm,，且搅拌针3扎入板材6深度H比板材厚度T至少小0.3mm ;其中轴肩2，超声换能器I的超声波通过不旋转轴肩2传递放大，将超声波传递到板材6的软化区，最终达到利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；其中，超声换能器I产生的超声波的参数如下:频率为45K以及振幅为40 μ mo步骤三、当搅拌工具5达到设定的下扎深度时，搅拌针3停止下扎且继续旋转8分钟，进行材料预热；步骤四、确定搅拌工具5的行进路线，打开位于搅拌工具5后面的冷却装置4开始供冷气，然后搅拌工具5以1300mm/分的速度v沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，其中两个冷却装置4根据行进方向交替切换，时刻确保冷却装置4位于搅拌装置后方，直到整个板材6表面加工完毕为止；其中冷却介质可采用水冷或气冷等方式，冷却水的温度在O°C或冷却气体在_50°C。搅拌装置包括搅拌工具5和冷却装置4，冷却装置4环绕在搅拌装置5的四周并可实现冷却位置的调节。其中搅拌工具5由超声换能器1、不旋转轴肩2及搅拌针3组成，超声换能器I与不旋转轴肩2的上端面紧密贴合，此处的不旋转轴肩2充当超声换能器I的变幅杆，将超声波放大并传递到待加工部分；不旋转轴肩2套装在搅拌针3上，其中搅拌针3成锥形且带有螺纹，其直径较大，锥角小，大大增加了与材料相互摩擦的接触面，进而提高了待加工部分的温度热量，便于材料半固态现象的出现。实施例2:本实施例在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为7000转/分。可根据待加工板材加工过程中温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使材料达到半固态。其它步骤与实施例一相同。实施例3 :本实施例在步骤三中，所述的搅拌工具5以50mm/分的速度沿着水平方向移动。可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使材料达到半固态。其它步骤与实施例一相同。实施例4 :本实施例在步骤三中，所述的当搅拌工具5达到设定的下扎深度时，搅拌针I停止下扎且继续旋转6分钟。可根据待加工板材加工过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使板材得到充分的预热，使材料更容易达到半固态。其它步骤与实施例3相同。实施例5 :本实施例在步骤四中，所述的冷却介质为水，且水温度为25°C。可根据待加工板材加工过程中的晶粒细化以及残余变形控制程度来选择冷却水的温度。其它步骤与实施例4相同。实施例6 :本实施例在步骤四中，所述的冷却介质为氩气，且气体温度为_50°C。可根据待加工板材加工过程中的晶粒细化以及残余变形控制程度来选择冷却气体的温度。其它步骤与实施例4相同。
权利要求
1.一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，具体采用以下步骤: 步骤一、将待加工的板材放置在水平的工作台上且用夹具装夹固定好； 步骤二、搅拌装置以500 7000转/分的转速扎入板材表面，扎入速度为2 8_/分，轴肩不旋转且与工件上边表面需保持紧密贴合；超声换能器的超声波通过不旋转轴肩传递放大，将超声波传递到板材的软化区，最终达到利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果； 步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3 8分钟，进行材料预热； 步骤四、确定搅拌工具的行进路线，打开位于搅拌工具后面的冷却装置开始加载冷源，然后搅拌工具以50 1500mm/分的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动,其中两个冷却装置根据行进方向交替切换，时刻确保冷却装置位于搅拌装置后方，直到整个板材表面加工完毕为止。
2.如权利要求1所述的一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，其特征在于:所述的搅拌装置包括搅拌工具和冷却装置，冷却装置环绕在搅拌装置的四周；其中冷却介质可采用水冷或气冷，冷却水的温度在O 200°C之间或冷却气体在0°C以下。
3.如权利要求2所述的一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，其特征在于:所述的搅拌工具由超声换能器、不旋转轴肩及搅拌针组成，超声换能器与不旋转轴肩的上端面紧密贴合，不旋转轴肩套装在搅拌针上。
4.如权利要求1或3所述的一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，其特征在于:所述的搅拌针成锥形且带有螺纹，最大直径大于1.5倍待加工板材厚度，锥角小于5° ,长度至少小于待加工板材0.3mm。
5.如权利要求2所述的一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，其特征在于:所述的超声换能器产生的超声波的参数如下:频率为20 60K以及振幅为20 50 μ m0
全文摘要
一种控冷环境下超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺方法，具体采用以下步骤将待加工的板材放置在水平的工作台上且用夹具装夹固定好；搅拌装置扎入板材表面；超声换能器的超声波通过不旋转轴肩传递放大，将超声波传递到板材的软化区，最终达到利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应细化晶粒的效果；当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转3～8分钟；确定搅拌工具的行进路线，打开位于搅拌工具后面的冷却装置开始加载冷源，然后搅拌工具沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，其中两个冷却装置根据行进方向交替切换，时刻确保冷却装置位于搅拌装置后方，直到整个板材表面加工完毕为止。
文档编号B23K20/12GK103071917SQ20131004900
公开日2013年5月1日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者岳玉梅, 姬书得, 高双胜, 张利国, 吕赞, 李亮, 马秩男 申请人:沈阳航空航天大学