一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法与流程

本发明属于焊接技术领域，具体而言，涉及一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法。

背景技术：

搅拌头被誉为搅拌摩擦焊(FSW)的“核心”，是实现搅拌摩擦焊的重要环节之一。搅拌摩擦焊主要是依靠高速旋转搅拌头与被焊工件之间的强烈摩擦产热和挤压塑性变形而完成。

一般情况下搅拌头的搅拌针与轴肩处为主要工作表面，在高温以及受到剧烈摩擦等恶劣的服役条件下，工作面的磨损、热疲劳以及搅拌针的折断是搅拌头的主要失效方式，其中，工作表面的磨损导致摩擦系数的增大进而使搅拌头的摩擦热增高，降低搅拌针的强度，是导致搅拌针的折断重要原因之一，因此提高搅拌头的高温耐磨性对延长搅拌头的使用寿命有着重大意义。

专利号为CN201510570566.2，名称为“一种新型搅拌摩擦焊搅拌头”的中国专利通过对焊接头的结构进行改进，提高搅拌头的使用寿命；专利号为CN201510867276.4，名称为“一种提高搅拌摩擦焊用搅拌头耐磨耐高温性能的方法”的中国专利通过将铸态高速工具钢W18Cr4V采用自由锻+模锻锻造技术加工成所需凹型轴肩和锥形搅拌针形貌；再采用激光熔敷技术将轴肩和搅拌针基体表层与预置在其上的镍基陶瓷复合合金粉末一起加热熔化并迅速冷凝制备环形和螺旋形耐磨耐高温涂层搅拌头，提高搅拌头的使用寿命。

但是，现有技术均存在结构和加工工艺复杂等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法，以提高搅拌头的耐高温、耐摩擦性能，延长其使用寿命；同时，相对于现有技术，该方法还具有操作简单、效果好等优点。

本发明所采用的技术方案为：

一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法，采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针和轴肩的表面，形成WC-Co基涂层。

基于上述方法，利用超音速火焰喷涂技术，在高压气体的作用下，WC-Co系粉末材料从喷枪中高速喷出，到达基体之前经过火焰加热使Co相达到熔融状态，以超音速与基体撞击，从而得到致密的涂层；而且，通过超音速火焰喷涂技术还可以有效地抑制WC在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨性能大幅度超过等离子喷涂层、电镀铬层以及喷焊层等。

进一步，所述WC-Co基涂层的厚度为100-200μm。

其中，WC-Co基涂层的厚度越小磨损越快，而WC-Co基涂层的厚度过大则容易造成涂层开裂，因此，为了更好地满足使用需求，WC-Co基涂层的喷涂厚度优选为100-200μm，更优为150μm。

进一步，所述WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr。

进一步，所述WC-Co系粉末材料中，Co的质量含量为6-17％；所述Cr的质量含量为3-5％。

进一步，所述WC-Co系粉末材料为WC-12Co粉末材料；所述Cr的质量含量为4％。

Co主要起粘接脆硬相WC的作用，其含量过低容易导致涂层空隙率增大，降低涂层的致密性，而其含量过大则容易降低WC-Co基涂层的硬度及耐磨性，因此，Co的质量含量优选为6-17％，更优为12％。

同时，在涂层加入Cr主要是提高耐腐蚀性，其质量含量优选为3-5％，更优为4％。

其中，WC-12Co粉末材料中，12Co表示Co的含量为12％。

进一步，所述WC-Co系复合粉末采用团聚法制造而成；其中，WC的原始晶粒的平均粒径为30-500nm，造粒后所述WC-Co系复合粉末的平均粒径为10-40μm。

由于细晶强化作用，细小WC的晶粒能提高涂层的强韧性，晶粒越小，制取的难度越大；同时，WC-Co颗粒中有空隙，颗粒过大，容易导致喷涂过程中加热不充分，降低涂层的致密度，而颗粒过小，容易导致粉末过熔，WC在空气中被氧化；因此，WC的原始晶粒的平均粒径优选为30-500nm，更优为270nm；造粒后的WC-Co系复合粉末的平均粒径优选为10-40μm，更优为22μm。

进一步，所述方法包体以下具体步骤：

(1)对待喷涂的搅拌针和轴肩的表面进行预处理，所述预处理包括清洁处理以及喷砂粗糙化处理；

(2)对经步骤(1)处理的搅拌针和轴肩进行预热，然后采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料均匀涂覆于搅拌针和轴肩的表面，形成WC-Co基涂层。

进一步，步骤(2)中，采用超音速火焰喷涂时，喷枪的喷涂方向与喷涂面垂直，且喷枪的移动速率保持均匀，并控制在100-1000mm/min。

其中，喷枪的移动速率过慢使基体受热不均匀以及涂层过厚；若喷枪往复喷涂，则会使涂层呈层状结构，而这种层与层结合面会有空隙等缺陷，因此，喷枪的移动速率过快，会导致层状缺陷增多，从而降低涂层的致密度，所以枪的移动速率优选控制在100-1000mm/min。

进一步，还包括轴肩加工步骤：在轴肩的表面打多个均匀分布的凹坑；其中，轴肩加工步骤位于步骤(1)前。

进一步，所述凹坑呈环形分布，且所述凹坑到所述搅拌针的距离与所述凹坑到所述轴肩的外缘的距离相等。

通过凹坑可以避免因轴肩面积为较大的平面而导致后期的WC-Co基涂层发生开裂。

本发明的有益效果：

本发明所提供的提高搅拌摩擦焊接搅拌头寿命的方法，通过采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针和轴肩的表面，在搅拌针和轴肩的表面形成具有高强度、耐高温、耐磨性的WC-Co基涂层，从而提高了搅拌头的性能，延长了搅拌头的使用寿命；同时，该方法相对于现有技术，还具有操作步骤简单、效果好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1中所述的搅拌头的结构示意图；

图2是实施例1中所述的WC-Co基涂层的结构示意图；

图3是实施例2中所述的轴肩的结构示意图。

图中标记为：

轴肩101，搅拌针102，WC-Co基涂层103，凹坑104。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法，采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针102和轴肩101的表面，形成WC-Co基涂层103。其具体步骤如下：

首先，对待喷涂的搅拌针102和轴肩101的表面进行预处理，其中，预处理包括清洁处理以及喷砂粗糙化处理；通过清洁处理可以除去搅拌针102和轴肩101表面的杂质、锈、油污以及氧化层等；通过喷砂粗糙化处理不仅可以进步对搅拌针102和轴肩101表面进行清洁，而且还可以在搅拌针102和轴肩101表面形成毛面，增强WC-Co基涂层103与搅拌针102和轴肩101表面的结合强度。

然后，对经上述步骤处理的搅拌针102和轴肩101进行预热，有利于喷涂材料的结合；再采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料均匀涂覆于搅拌针102和轴肩101的表面，形成厚度为100μm的WC-Co基涂层103。

本实施例中，WC-Co系粉末材料为采用团聚发制备的WC-12Co粉末材料，其中，WC的原始晶粒的平均粒径为270nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒径(颗粒物直径)为22μm，Co的质量含量为12％。

作为本实施例的一种优选方案，WC-Co系粉末材料中还可以添加微量元素Cr，其中，Cr的质量含量为4％。

实施例2

本实施例提供一种提高搅拌摩擦焊搅拌头寿命的方法，采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针102和轴肩101的表面，形成WC-Co基涂层103。其具体步骤如下：

首先，对轴肩101进行加工处理，如图3所示，在轴肩101的表面打4个均匀分布的凹坑104，从而可以避免因轴肩101面积为较大的平面而导致后期的WC-Co基涂层103发生开裂；其中，优选地，凹坑104到搅拌针102的距离与凹坑104到轴肩101的外缘的距离相等。

然后，对待喷涂的搅拌针102和轴肩101的表面进行预处理，其中，预处理包括清洁处理以及喷砂粗糙化处理；通过清洁处理可以除去搅拌针102和轴肩101表面的杂质、锈、油污以及氧化层等；通过喷砂粗糙化处理不仅可以进步对搅拌针102和轴肩101表面进行清洁，而且还可以在搅拌针102和轴肩101表面形成毛面，增强WC-Co基涂层103与搅拌针102和轴肩101表面的结合强度。

最后，对经预处理的搅拌针102和轴肩101进行预热，有利于喷涂材料的结合；再采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料均匀涂覆于搅拌针102和轴肩101的表面，形成厚度为150μm的WC-Co基涂层103。

本实施例中，WC-Co系粉末材料采用团聚发制备而成，其中，WC的原始晶粒的平均粒径为500nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒径(颗粒物直径)为40μm。同时，优选地，WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr，其中，Co的质量含量为6％，Cr的质量含量为3％。

本实施例中，根据实际使用情况可以对凹坑的数量进行调整，例如凹坑的数量为3个，5个等。

实施例3

首先，对轴肩101进行加工处理，在轴肩101的表面打3个均匀分布的凹坑104，从而可以避免因轴肩101面积为较大的平面而导致后期的WC-Co基涂层103发生开裂。

然后，对待喷涂的搅拌针102和轴肩101的表面进行预处理，其中，预处理包括清洁处理以及喷砂粗糙化处理；通过清洁处理可以除去搅拌针102和轴肩101表面的杂质、锈、油污以及氧化层等；通过喷砂粗糙化处理不仅可以进步对搅拌针102和轴肩101表面进行清洁，而且还可以在搅拌针102和轴肩101表面形成毛面，增强WC-Co基涂层103与搅拌针102和轴肩101表面的结合强度。

最后，对经预处理的搅拌针102和轴肩101进行预热，有利于喷涂材料的结合；再采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料均匀涂覆于搅拌针102和轴肩101的表面，形成厚度为200μm的WC-Co基涂层103；其中，超音速火焰喷涂的参数如下表1所示。

表1

同时，采用超音速火焰喷涂时，喷枪的喷涂方向与喷涂面垂直，且喷枪的移动速率保持均匀，其与喷涂设备工艺参数、送粉率等相配合，控制在100-1000mm/min。

本实施例中，WC-Co系粉末材料采用团聚发制备而成，其中，WC的原始晶粒的平均粒径为30nm，造粒后WC-Co系粉末的平均粒径(颗粒物直径)为10μm。同时，优选地，WC-Co系粉末材料中添加有微量元素Cr，其中，Co的质量含量为17％，Cr的质量含量为5％。

上述实施例，WC-Co系粉末材料中的陶瓷材料WC具有高硬度、高熔点等优点，Co相主要作为粘结相，Cr可以提高涂层的耐腐蚀性能。

同时，利用超音速火焰喷涂技术，在高压气体的作用下，WC-Co系粉末材料从喷枪中高速喷出，到达基体之前经过火焰加热使Co相达到熔融状态，以超音速与基体撞击，从而得到致密的涂层；而且，通过超音速火焰喷涂技术还可以有效地抑制WC在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高，且致密，耐磨损性能优越，其耐磨性能大幅度超过等离子喷涂层、电镀铬层以及喷焊层等。

因此，通过采用超音速火焰喷涂将纳米结构的WC-Co系粉末材料喷涂于搅拌针102和轴肩101的表面，在搅拌针102和轴肩101的表面形成具有高强度、耐高温、耐磨性的WC-Co基涂层103，从而提高了搅拌头的性能，延长了搅拌头的使用寿命；同时，该方法相对于现有技术，还具有操作步骤简单、效果好等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。