专利名称：一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法
技术领域：
本发明涉及一种填入式搅拌摩擦处理方法，具体涉及一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法。
背景技术：
搅拌摩擦处理(friction stir processing缩写为FSP)是由美国密苏里大学(University of Missouri)的 R S M ISHRA 于 2000 年基于揽拌摩擦焊(friction stirwelding缩写为FSW)工艺提出的材料改性与制备新技术。可将搅拌摩擦焊直接用于无焊缝的完整材料上，直接对材料进行搅拌摩擦处理，其目的并不是焊接，而是进行改善金属材料性能的处理，例如对金属母材进行表面处理或熔焊后的铝合金焊缝进行焊后处理。FSP独特而显著的优势在于以摩擦热作为热源，用机械加工的方法实现材料表面晶粒细化、块状材料晶粒细化以及表面复合材料的制备，具有环保、节能等特点。堆焊是在金属材料或零件表面熔焊上耐磨、耐蚀等特殊性能金属层的一种工艺方法；通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件；采用堆焊可以延长零部件的使用寿命，降低成本，改进产品设计，尤其对合理使用材料(特别是贵重金属)具有重要意义。传统的堆焊方法主要选择电弧作为热源，然而，受到电弧吹力等诸多不利因素的影响，难以同时达到高效和低稀释率的目标。为了提高堆焊效率必然导致热输入的增加，基材的熔深增大，堆焊层性能下降。近年来，高能束粉末堆焊技术的提出有望解决上述问题。高能束粉末堆焊技术是将高能束流作为热源，以一定成分的合金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。根据焊接热源的不同，高能束粉末堆焊主要可以分为等离子弧堆焊、电子束堆焊、激光堆焊以及聚焦光束堆焊。利用高能束热源可以实现热输入的准确控制，获得热畸变小、稀释率小、组织致密、成型美观、性能优越的堆焊层，而且，高能束粉末堆焊生产率高，堆焊过程易于实现机械化和自动化。然而，与普通的堆焊方法相比较，高能束粉末堆焊技术大多需要在气体保护甚至真空条件下才能顺利进行，而且，焊接设备也更加复杂，一次性投资大，生产成本高，距离生产实际尚有一定距离，特别是对于激光堆焊技术来说。
发明内容
本发明的目的是为解决高能束粉末堆焊大多需要在气体保护甚至真空条件下才能顺利进行，焊接效率低，焊接成本高的问题，提出一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法。本发明方法是通过以下步骤实现的:步骤一、处理前准备:将送丝轮和定位导轮安装固定于焊机主轴上，将待处理材料进行装夹，将带状焊丝置于定位导轮之下，定位导轮紧贴待处理材料的表面，并将带状焊丝固定于待处理材料的表面，将带状焊丝的端部置于无针焊具的正下方，带状焊丝的宽度d应等于或小于无针焊具的轴肩直径D ;步骤二、搅拌摩擦处理过程:启动焊机，无针焊具开始垂直向下进给，随后，无针焊具的轴肩开始与带状焊丝的端部接触并逐渐压入待处理材料的上表面，搅拌摩擦处理开始，定位导轮和无针焊具与主轴一同沿焊接方向运动，无针焊具的旋转速度为IOOrpm lOOOrpm、焊接速度为50mm/min 1000mm/min,无针焊具的倾角为0.5° 4° ,轴肩压入深度可超过带状焊丝厚度0.1mm 0.2_，利用无针焊具的轴肩强烈的机械搅拌作用打碎待处理材料近表面区域内较粗大的晶粒组织，细化晶粒，并利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状焊丝堆焊于待处理材料表面，形成规则的鱼鳞纹焊缝；步骤三、焊后清理:送丝轮、定位导轮和无针焊具与焊机主轴一同提起后，可用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除残留的少量焊丝材料及飞边。本发明具有以下优点:一、本发明属于固相连接方法，利用无针焊具轴肩所特有的摩擦搅拌和锻压作用，将外加焊丝材料堆焊于待处理材料表面，与目前采用电弧、电子束、等离子弧、激光等为焊接热源的堆焊方法相比较，焊接温度明显降低，热畸变减小，焊接残余应力降低，材料稀释率降低，界面结合强度提高，被处理区域的表面平滑美观；本发明的工作环境清洁，无需真空或气体保护，处理过程无弧光、烟尘污染，降低了焊接成本，提高了焊接效率。二、本发明可以实现多层带状焊丝的重叠送入，多层焊丝可互为同种或异种材料，从而满足不同的生产需要，得到不同厚度和特性的表面层结构。三、通过选用不同种类的带状焊丝，可以改变材料的表面性能，特别是耐磨、耐蚀等特性。
图1是带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法的处理前示意图；图2是带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法的处理过程示意图；图3是图2的俯视图。
具体实施例方式具体实施方式
一:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的:步骤一、处理前准备:将送丝轮3和定位导轮4安装固定于焊机主轴上，将待处理材料2进行装夹，将带状焊丝5置于定位导轮4之下，定位导轮4紧贴待处理材料2的表面，并将带状焊丝5固定于待处理材料2的表面，见图1，将带状焊丝5的端部置于无针焊具I的正下方，使其端部在焊接开始时能够完全被轴肩所覆盖，带状焊丝5的宽度d应等于或小于无针焊具I的轴肩直径D，使得带状焊丝5的两侧边缘在处理过程中能够完全被轴肩所覆盖；可设计桁架结构，送丝轮3和定位导轮4通过桁架结构固定安装于焊机主轴上；步骤二、搅拌摩擦处理过程:启动焊机，无针焊具I开始垂直向下进给，随后，无针焊具I的轴肩开始与带状焊丝5的端部接触并逐渐压入待处理材料2的上表面，搅拌摩擦处理开始，定位导轮4和无针焊具I与主轴一同沿焊接方向运动，无针焊具I的旋转速度为IOOrpm lOOOrpm、焊接速度为50mm/miη 1000mm/min,无针焊具I的倾角为0.5° 4°，轴肩压入深度可超过带状焊丝厚度0.1mm 0.2_，利用无针焊具I的轴肩强烈的机械搅拌作用打碎待处理材料2近表面区域内较粗大的晶粒组织，细化晶粒，并利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状焊丝5堆焊于待处理材料2表面，形成规则的鱼鳞纹焊缝；无针焊具I的旋转方向、无针焊具I的焊接方向、定位导轮4旋转方向、带状焊丝5的送进方向和送丝轮3旋转方向如图2所示，无针焊具I的尺寸(轴肩直径、轴肩锥度)选择常规搅拌摩擦处理焊具的最优尺寸；步骤三、焊后清理:送丝轮3、定位导轮4和无针焊具I与焊机主轴一同提起后，可用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除残留的少量焊丝材料及飞边。
具体实施方式
二:结合图3说明本实施方式，本实施方式是搅拌头1、定位导轮4、带状焊丝5、送丝轮3位于同一直线上。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:结合2和图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中定位导轮4两侧设计有凸缘4-1，凸缘4-1高度应大于或等于带状焊丝5的厚度。凸缘4-1可以避免带状焊丝5横向移动，凸缘4-1引导带状焊丝5沿焊接方向铺设。其它步骤与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的带状焊丝5的宽度d比无针焊具I的轴肩直径D小0.3mm。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的带状焊丝5可重叠放置多层，多层带状焊丝5可为同种材料或异种材料。这样为得到不同厚度和结构的堆焊层。当带状焊丝5采用多层重叠的方式进行焊接时，定位导轮4两侧的凸缘4-1高度应大于或等于多层带状焊丝5的累加厚度。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
六:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的无针焊具I的旋转速度为500rpm、焊接速度为600mm/min，无针焊具I的倾角为2°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.12mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的无针焊具I的旋转速度为800rpm、焊接速度为200mm/min，无针焊具I的倾角为1°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.14mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的无针焊具I的旋转速度为800rpm、焊接速度为500mm/min，无针焊具I的倾角为3°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.15mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的无针焊具I的旋转速度为lOOOrpm、焊接速度为300mm/min，无针焊具I的倾角为1°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.16mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的无针焊具I的旋转速度为1200rpm、焊接速度为400mm/min，无针焊具I的倾角为4°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.18mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述方法是通过以下步骤实现的: 步骤一、处理前准备:将送丝轮(3)和定位导轮(4)安装固定于焊机主轴上，将待处理材料(2)进行装夹，将带状焊丝(5)置于定位导轮(4)之下，定位导轮(4)紧贴待处理材料(2)的表面，并将带状焊丝(5)固定于待处理材料(2)的表面，将带状焊丝(5)的端部置于无针焊具(1)的正下方，带状焊丝(5)的宽度d应等于或小于无针焊具(1)的轴肩直径D ; 步骤二、搅拌摩擦处理过程:启动焊机，无针焊具(1)开始垂直向下进给，随后，无针焊具(1)的轴肩开始与带状焊丝(5)的端部接触并逐渐压入待处理材料(2)的上表面，搅拌摩擦处理开始，定位导轮(4)和无针焊具(1)与主轴一同沿焊接方向运动，无针焊具(1)的旋转速度为1OOrpm lOOOrpm、焊接速度为50mm/min 1000mm/min,无针焊具(1)的倾角为0.5° 4° ,轴肩压入深度可超过带状焊丝厚度0.1mm 0.2mm,利用无针焊具(1)的轴肩强烈的机械搅拌作用打碎待处理材料(2)近表面区域内较粗大的晶粒组织，细化晶粒，并利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状焊丝(5)堆焊于待处理材料(2)表面，形成规则的鱼鳞纹焊缝； 步骤三、焊后清理:送丝轮(3)、定位导轮(4)和无针焊具(1)与焊机主轴一同提起后，可用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除残留的少量焊丝材料及飞边。
2.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤一中的无针焊具(1)、定位导轮(4)、带状焊丝(5)、送丝轮(3)位于同一直线上。
3.根据权利要求1或2所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤一中的定位导轮(4)两侧设计有凸缘(4-1)，凸缘(4-1)高度应大于或等于带状焊丝(5)的厚度。
4.根据权利要求3所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤一中的带状焊丝(5)的宽度d比无针焊具(I)的轴肩直径D小0.3mm。
5.根据权利要求3所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤一中的带状焊丝(5)可重叠放置多层，多层带状焊丝(5)可为同种材料或异种材料。
6.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤二中的无针焊具(1)的旋转速度为500rpm、焊接速度为600mm/min,无针焊具(I)的倾角为2°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.12mm。
7.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤二中的无针焊具(1)的旋转速度为800rpm、焊接速度为200mm/min,无针焊具(I)的倾角为1°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.14mm。
8.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤二中的无针焊具(1)的旋转速度为800rpm、焊接速度为500mm/min,无针焊具(I)的倾角为3°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.15mm。
9.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤二中的无针焊具(1)的旋转速度为lOOOrpm、焊接速度为300mm/min，无针焊具(I)的倾角为1°，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.16_。
10.根据权利要求1所述一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，其特征在于:所述步骤二中的无针焊具(1)的旋转速度为1200rpm、焊接速度为400mm/min,无针焊具(I)的倾角为4° ，轴肩压入深度超过带状焊丝厚度0.18_。
全文摘要
一种带状焊丝填入式搅拌摩擦处理方法，它涉及一种填入式搅拌摩擦处理方法，以解决高能束粉末堆焊大多需要在气体保护甚至真空条件下才能进行的问题。方法一、处理前准备将送丝轮和定位导轮固定于焊机主轴上，待处理材料装夹，带状焊丝置于定位导轮下，定位导轮紧贴待处理材料表面，将带状焊丝固定于待处理材料的表面，将带状焊丝的端部置于无针焊具的正下方；二、搅拌摩擦处理过程启动焊机，无针焊具开始垂直向下进给，无针焊具的轴肩与带状焊丝端部接触并逐渐压入待处理材料的上表面，利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状焊丝堆焊于待处理材料表面；三、焊后清理用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除残留的焊丝材料及飞边。本发明用于搅拌摩擦处理。
文档编号B23K20/12GK103170726SQ20131012820
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者黄永宪, 韩冰, 吕世雄, 万龙, 刘会杰, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学