基于表面纳米化处理的搅拌摩擦焊方法与流程

本发明涉及一种搅拌摩擦焊方法，用于金属材料的高质量焊接。

背景技术：

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种固相连接新工艺技术，可有效避免传统熔化焊产生的气孔和裂纹等各种缺陷，具有节能环保、连接温度低、焊后残余应力小以及接头性能高等一系列优点，可实现传统认为不可焊的高强铝合金(如2×××系和7×××系铝合金)的高质量焊接，装置示意图如图1。自发明起便受到了广泛的关注，是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术，被誉为继激光焊后“焊接史上的第二次革命”，在航空航天、船舶、汽车等领域的焊接方面具有广阔的应用前景。其工作原理是一个带有轴肩和搅拌针的焊接工具高速旋转并将搅拌针挤入对接板材的接缝处，直至轴肩与工件紧密接触，在摩擦热和搅拌针挤压的作用下，材料发生软化，搅拌针的搅动作用使接缝两侧的材料产生塑性流变和混合，通过焊接工具的前移形成密实无缺陷的焊缝。

金属材料经过搅拌摩擦焊后，焊缝在搅拌摩擦产生的高温热循环作用下，强化相会发生粗化或回溶，导致焊缝的热机影响区成为焊接接头的薄弱环节，在硬度、屈服强度、抗拉强度、应力作用下的腐蚀等方面的综合性能亟需提高，同时，搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度非常大，进一步影响了焊接接头的综合性能。

表面纳米化作为表面强化的一种新手段，能够在材料表层形成梯度纳米结构层，获得高强度、高硬度和高耐磨等优异性能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于表面纳米化技术的搅拌摩擦焊方法，能够在搅拌摩擦焊焊缝中形成纳米层区，在焊接面制备出无裂纹的纳米层，大幅降低焊接接头表面粗糙度，提高搅拌摩擦焊接头的综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

对待焊基材表面进行研磨、抛光；然后进行超音速微粒轰击表面纳米化处理，在待焊基材表面形成一层厚度不低于50μm的纳米层，表面纳米晶粒的平均尺寸不大于50nm；用丙酮去除表面纳米化后的待焊基材表面油污，然后进行搅拌摩擦焊；焊接结束后铲掉接头上表面的飞边，并将过渡区域打磨光滑；最后对搅拌摩擦焊接接头表面进行表面机械滚压。

所述的超音速微粒轰击表面纳米化处理的弹丸材质为不锈钢S110、SiO₂、BN或WC，弹丸直径为0.05～0.5mm，喷射角为60°～90°，工作气压为0.1～0.53MPa，气流速率为340～1200m/s，喷射距离为10～300mm，喷射时间为0.1～300min。

所述的搅拌摩擦焊分预焊和正式焊，预焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为50-1000r/min，焊接速度为50-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm；正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为100-2000r/min，焊接速度为100-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm。

所述的表面机械滚压的旋转轴转速为20～200r/min，轴上装有WC-Co硬质合金钢冲击滚轮，滚轮直径为20～60mm，厚度为5～30mm，搅拌摩擦焊接接头表面沿滚轮转轴方向往复运动的移动速率为0.05～5mm/s，移动最大距离为1～300mm，往复移动一个来回为2次处理，滚压次数1～100次，工作环境温度为-50℃～100℃。

本发明的有益效果是：能够在搅拌摩擦焊焊缝中形成纳米层区，提高焊缝中热机影响区等薄弱环节的性能，大幅降低焊接接头表面粗糙度，达到提高焊接接头综合性能的目的，进一步扩展表面纳米化技术在搅拌摩擦焊领域的工业化应用。具体优点如下：

1、金属材料经过超音速微粒轰击后生成的表面纳米层厚，有利于提高焊缝中纳米层区的体积占比，通过热机影响区中制备出纳米晶的优异性能，提高了焊接接头的综合性能(如：硬度、屈服强度、抗拉强度、延伸率、耐点蚀性能和耐应力腐蚀性能)；

2、搅拌摩擦焊接接头表面经过表面机械滚压技术处理后，表面制备出无裂纹的纳米层，生成均匀的残余压应力，表面粗糙度大幅降低，进一步提高了焊接接头的综合性能；

3、工艺简单易行、成本低廉，无目前所使用的阳极化工艺的环境污染问题，耗能少，丸粒的重复使用率高，滚压设备制造与维护便捷，搅拌摩擦焊接件的缺陷率得到降低；

4、适用范围广，本发明可以适用于各种金属材料，广泛应用于机床、仪表、船舶、飞机、航空航天材料、矿山设备、化工等领域。

附图说明

图1是搅拌摩擦焊工艺原理示意图；

图2是超音速微粒轰击法示意图；

图3是表面机械滚压技术示意图；

图4是2A14铝合金横截面显微组织的OM像；

图5是经超音速微粒轰击处理后待焊基材横截面形貌的OM像；

图6是待焊基材经超音速微粒轰击技术处理后表层截面的TEM像，其中，(a)是明场像及相应选取电子衍射花样，(b)是暗场像；

图7是焊缝内热机影响区中的纳米层区OM像；

图8是纳米层区中纳米晶的TEM像；

图9是搅拌摩擦焊接接头经表面机械滚压技术处理后表层截面的TEM像，其中，(a)是明场像及相应选取电子衍射花样，(b)是暗场像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明属于金属材料搅拌摩擦焊领域，具体说是待焊金属基材表面经过表面纳米化处理后，采用搅拌摩擦焊技术将待焊基材焊接，最后对焊接接头进行表面纳米化处理的方法。本发明采用超音速微粒轰击技术，利用高压气体发生装置产生的高压气体携带硬质球形颗粒以340-1200m/s的速度连续轰击待焊金属基材表面，使其表面形成一定厚度的纳米层，采用搅拌摩擦焊技术将待焊基材焊接起来，在焊缝中形成纳米层区，提高焊接接头的综合性能。最后采用表面机械滚压技术对焊接接头进行表面纳米化处理，在焊接面形成无裂纹的纳米层，同时使焊接面的表面粗糙度显著降低，进一步提高焊接接头的综合性能。本发明适用范围广，装置简单易操作、成本低、生产效率高、无污染，焊接接头综合性能提高明显。

本发明以金属材料为对象，首先将待焊基材表面进行常规研磨、抛光处理。采用1433/8558Progressive(DT1480)数控喷丸机对待焊基材进行超音速微粒轰击表面纳米化处理，主要参数为：弹丸材质为不锈钢S110、SiO₂、BN、WC，弹丸直径为0.05-0.5mm，喷射角为60°-90°，工作气压为0.1-0.53MPa，气流速率为340-1200m/s，喷射距离为10-300mm，喷射时间为0.1-300min。处理完后，待焊基材表面形成一层厚度不低于50μm的纳米层，表面纳米晶粒的平均尺寸不大于50nm。

利用上海拓璞数控科技有限公司生产的FSW5020箱底搅拌摩擦焊接系统对表面纳米化后的待焊基材沿长度方向进行搅拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。预焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为50-1000r/min，焊接速度为50-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm。正式焊采用的搅拌头轴肩直径为1-20mm，搅拌针长度为1-15mm，端部直径1-15mm，根部直径1-20mm，旋转速度为100-2000r/min，焊接速度为100-1000mm/min，搅拌头倾斜角0-5°，压入深度为0-1mm。焊接结束后将接头上表面的飞边铲掉，用砂轮将过渡区域打磨光滑。

采用表面机械滚压技术的设备对搅拌摩擦焊接接头表面继续进行处理，旋转轴转速为20-200r/min，轴上装有WC-Co硬质合金钢冲击滚轮，滚轮直径为20-60mm，厚度为5-30mm，可绕轴心自由移动，板材样品可以左右移动，移动速率为0.05-5mm/s，移动最大距离为1-300mm，样品左右移动一个来回为2次处理，滚压次数1-100次，工作环境温度为-50℃～100℃。

本发明的实施例以2A14铝合金为处理对象，2A14为Al-Mg-Si-Cu系合金，加工500mm×500mm×5mm的铝合金板，将待焊基材表面进行常规研磨、抛光处理。采用1433/8558Progressive(DT1480)数控喷丸机对待焊基材进行超音速微粒轰击表面纳米化处理，主要参数为：弹丸材质为不锈钢S110，弹丸直径0.3mm，喷射角90°，工作气压0.53MPa，气流速率1200m/s，喷射距离130mm，喷射时间10min。处理完后，待焊基材表面形成一层约50μm厚的纳米层(如图5)，表面晶粒由基体的50μm(如图4)减小到纳米层晶粒的30nm，纳米晶的TEM明场像及相应选取电子衍射花样、暗场像如图6所示。

采用超音速微粒轰击技术对2A14铝合金待焊基材表面纳米化处理完后，利用上海拓璞数控科技有限公司生产的FSW5020箱底搅拌摩擦焊接系统对待焊基材沿长度方向进行搅拌摩擦焊，焊接前用丙酮去除表面油污。预焊采用的搅拌头轴肩直径为12mm，搅拌针长度为2mm，端部直径5mm，根部直径6mm，旋转速度为800r/min，焊接速度为400mm/min，搅拌头倾斜角2.5°，压入深度充分(0.2mm)。正式焊采用的搅拌头轴肩直径为18mm，搅拌针长度为3mm，端部直径6mm，根部直径7mm，旋转速度为600r/min，焊接速度为200mm/min，搅拌头倾斜角2.5°，压入深度充分(0.3mm)。焊接结束后将接头上表面的飞边铲掉，用砂轮将过渡区域打磨光滑。最终在焊缝薄弱环节的热机影响区中制备出纳米层区(如图7)，纳米层区内的纳米晶的TEM明场像如图8所示。

采用表面机械滚压设备对搅拌摩擦焊接头表面继续进行表面纳米化处理，旋转轴转速为30r/min，滚轮直径45mm，厚度为15mm，可绕轴心自由移动，板材样品可以左右移动，移动速率为0.3mm/s，移动距离80mm，样品左右移动一个来回为2次处理，样品在室温空气环境中进行滚压处理20次。最终使材料表面粗糙度减小为0.986μm，表面纳米晶粒的TEM明场像及相应选取电子衍射花样、暗场像如图9所示。