專利名稱：中空送料摩擦頭及金屬材料表面復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊的摩擦頭及焊接方法，尤其是一種利用攪拌摩擦加工制備金屬材料表面復合材料的方法。
背景技術：
隨著科學技術的高速發(fā)展，對于結構材料的性能提出了更高的要求。其中一項重要需求是使材料在滿足高塑、韌性的前提下，具有高硬度、高耐磨度等特點。這對于組分均一的材料來說是難以實現(xiàn)的，硬度、耐磨度的提高就會不可避免地使材料的塑韌性下降。因此有研究者提出，可以在具有高塑、韌性的金屬材料表面進行增強相為硬質(zhì)陶瓷顆粒的表 面復合材料，這樣就能夠在保持基體高塑、韌性的前提下，得到表面硬度高、耐磨度高的材料。但目前金屬基表面復合材料的制備方法大都工藝復雜，成本高昂。攪拌摩擦加工(FSP)技術作為一種新的材料微觀結構改性技術，已被成功應用到金屬基復合材料的制備上。所謂攪拌摩擦加工(FSP)，即是將高速旋轉的加工頭壓入材料表面毫米級深度，并沿材料表面方向行進，造成材料表面發(fā)生劇烈的塑性變形、混合和溫升，從而實現(xiàn)表面材料的密化、細化和均勻化。將FSP應用到金屬基復合材料的制備上，其主要制備方法是將增強相顆粒預置在金屬板材中，再進行攪拌摩擦加工。實驗表明，顆粒的預置方式對于其在基體中的分布均勻性有極大影響。目前報導的預置方式有以下幾種(I)、將增強相顆粒直接鋪在板材表面，這種方法簡單、高效，但顆粒極易飛濺。(2)、在板材表面開一道具有一定寬度、深度的凹槽，再在其中添加增強相顆粒并壓實，最后沿其長度方向進行攪拌摩擦加工。這種方法的主要問題在于隨著攪拌針沿凹槽前進，凹槽內(nèi)預置的增強相顆粒容易從槽內(nèi)溢出。為了解決該問題，可在凹槽上加一層金屬蓋板，或者使用無攪拌針的加工頭在凹槽上進行表面預處理，將增強顆粒封在凹槽中，防止后續(xù)加工時顆粒溢出。(3)、在緊貼金屬板的下方，鉆一平行于表面的深孔，在孔內(nèi)裝入增強相顆粒，并沿孔的深度方向進行攪拌摩擦加工。(4)、在材料表面開一系列點陣規(guī)律排布的盲孔，并將增強相預置在孔中，最后進行攪拌摩擦加工。上述四種預置方式中，(I)的增強相分布均勻性較差，(2)、(3)的增強相分布均勻性有所改善，但仍不理想，(4)的增強相分布均勻性顯著提高。分析可知(I)的增強相分布均勻性差不難理解，在加工過程中大量顆粒會發(fā)生飛濺，不能很好地被加工頭攪入基體內(nèi)。(2)、(3)方式進行增強相預置時，即使不發(fā)生增強相顆粒的飛濺，攪拌針在將增強顆粒攪入基體的同時，也會將前方預置的顆粒向前推進、堆積，進而造成基體中增強相顆粒分布不均。以(4)方式進行顆粒預置，顆粒被離散地固定在各盲孔中，加工時就不會發(fā)生增強顆粒的推移，因此其增強相分布最為均勻。但由于(2)、(3)、(4)三種預置方法的工作量都很大，不適合實際生產(chǎn)應用中推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決FSP應用到金屬基復合材料的制備上，需將增強相預置在待加工件中，導致待加工件在加工過程中，發(fā)生顆粒的飛濺及推移，使得增強相分布不均的問題，提供一種中空送料摩擦頭及金屬材料表面復合材料的制備方法。本發(fā)明的摩擦頭包括攪拌摩擦體和輔助送料裝置，攪拌摩擦體由上圓柱體和下圓柱體組成，所述上圓柱體和下圓柱體上下設置且制成一體，所述上圓柱體的直徑小于下圓柱體的直徑，上圓柱體的外表面上設有夾持面，所述下圓柱體的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面，所述上圓柱體和下圓柱體沿軸線設有孔道，所述孔道由上至下分為三段，分別為上孔道、中孔道和下孔道，上孔道的內(nèi)徑與下孔道的內(nèi)徑相同，中孔道的內(nèi)徑小于上孔道的內(nèi)徑，所述下圓柱體上沿徑向設有一橫向通孔，橫向通孔與下孔道相通，所述橫向通孔的兩端分別設有與橫向通孔同軸且相通的軸承凹槽，增強相添加裝置由遙控微型電動機、轉軸、兩個轉動軸承和數(shù)個扇葉組成，所述轉軸設置在橫向通孔中，轉軸的兩端分別設置在兩個轉動軸承中，每個軸承凹槽裝有一個轉動軸承，數(shù)個扇葉位于下孔道中，且數(shù)個扇葉均布安裝在轉軸上，轉軸的輸入端與遙控微型電動機的輸出軸連接，遙控微型電動機固裝在 下圓柱體的外表面上。本發(fā)明的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的步驟一、確定摩擦頭的幾何尺寸根據(jù)待處理工件一次表面復合材料化的寬度確定摩擦頭軸肩的直徑D，摩擦頭軸肩的直徑D與一次表面復合材料化的寬度相等，確定下孔道3-3的內(nèi)徑為0. 5D 0. 25D,凹形軸肩面的外邊緣比凹形軸肩面的中心高0. Imm Imm ；步驟二、添加增強相顆粒向上孔道加入增強相顆粒，將上孔道填滿；步驟三、調(diào)整摩擦頭的傾斜角調(diào)整摩擦頭的傾斜角即摩擦頭的中心軸線與待處理工件法線的夾角，調(diào)整該夾角為0° 1° ；步驟四、待處理工件表面復合材料層的制備過程對待處理工件表面進行攪拌摩擦加工，具體過程為(I)、將摩擦頭移至待加工件表面，摩擦頭以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面的壓入深度為0. Imm Imm,壓入后停留I秒 10秒；(2)、啟動遙控微型電動機，且遙控微型電動機的轉速為10轉/分鐘 100轉/分鐘，增強相顆粒隨著轉動的扇葉沿中孔道、下孔道流進作用界面，同時控制摩擦頭沿加工方向開始行進，此時增強相顆粒被高速旋轉的摩擦頭碾壓進入待加工件表面的基體中，摩擦頭的旋轉速度為100轉/分鐘 1500轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為5毫米/分鐘 200暈米/分鐘；(3)、壓碾結束的同時，停止遙控微型電動機旋轉，中孔道被靜止的扇葉堵塞，增強相顆粒停止加入，停止摩擦頭行進，并將摩擦頭上升離開加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面復合材料的制備。本發(fā)明具有以下優(yōu)點一、本發(fā)明的材料表面復合材料制備過程中，增強相不需預置在待加工件中，而是沿摩擦頭中的中空送料孔道3直接進入摩擦頭與待加工件的作用界面，增強相顆粒被直接攪壓入基體中，因此不會發(fā)生顆粒的飛濺以及推移，保證了增強相分布的均勻性。二、輔助送料裝置能夠控制增強相顆粒的添加與停止。三、本發(fā)明的金屬材料表面復合材料制備過程不需要在待加工件表面進行開槽或開孔，簡化了工藝程序，因此，本發(fā)明在實際生產(chǎn)中將有廣泛的應用前景。


圖I是本發(fā)明中空送料摩擦頭的整體結構主剖視圖；圖2是轉軸5和數(shù)個扇葉7的截面圖。
具體實施方式

具體實施方式
一結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式的摩擦頭包括攪拌摩擦體和輔助送料裝置，攪拌摩擦體由上圓柱體I和下圓柱體2組成，所述上圓柱體I和下圓柱體2上下設置且制成一體，上圓柱體I的直徑小于下圓柱體2的直徑，上圓柱體I的外表面上設有夾持面1-1，所述下圓柱體2的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面2-1，上圓柱體I和下圓柱體2沿軸線設有孔道3，所述孔道3由上 至下分為三段，分別為上孔道3-1、中孔道3-2和下孔道3-3，孔道3用于增強相顆粒的儲存，同時也是增強相進入加工界面的通道，裝卡摩擦頭前，從摩擦頭上端向孔道3內(nèi)加入一定量的增強相顆粒，上孔道3-1的內(nèi)徑與下孔道3-3的內(nèi)徑相同，中孔道3-2的內(nèi)徑小于上孔道3-1的內(nèi)徑，凹形軸肩面
2-1有效防止了塑性金屬材料的流出，所述下圓柱體2上沿徑向設有一橫向通孔2-2，橫向通孔2-2與下孔道3-3相通，所述橫向通孔2-2的兩端分別設有與橫向通孔2-2同軸且相通的軸承凹槽2-3，增強相添加裝置由遙控微型電動機4、轉軸5、兩個轉動軸承6和數(shù)個扇葉7組成，所述轉軸5設置在橫向通孔2-2中，轉軸5的兩端分別設置在兩個轉動軸承6中，每個軸承凹槽2-3裝有一個轉動軸承6，數(shù)個扇葉7位于下孔道3-3中，且數(shù)個扇葉7均布安裝在轉軸5上，轉軸5的輸入端與遙控微型電動機4的輸出軸連接，遙控微型電動機4固裝在下圓柱體2的外表面上。轉軸5與橫向通孔2-2配合，轉動軸承6與軸承凹槽2-3配合。中孔道3-2的內(nèi)徑小于上孔道3-1和下孔道3-3的內(nèi)徑，這樣設計是便于扇葉7控制增強相顆粒流動。輔助送料裝置相當于添加增強相顆粒的開關，啟動遙控微型電機4，通過轉軸5帶動扇葉7的轉或停，從而實現(xiàn)了增強相顆粒的添加與停止添加。對增強相顆粒的添加速度通過遙控微型電動機4控制。
具體實施方式
二 結合圖I說明本實施方式，本實施方式的每個扇葉7的形狀為半圓形，每個扇葉7的半徑小于下孔道3-3的半徑。其它組成及連接關系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖I說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是它還增加有隔熱墊片8，隔熱墊片8設置在下圓柱體2與遙控微型電動機4之間。隔熱墊片8將下圓柱體2與遙控微型電動機4與隔離，防止遙控微型電動機4過熱。其它組成及連接關系與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四結合圖I說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的步驟一、確定摩擦頭的幾何尺寸根據(jù)待處理工件一次表面復合材料化的寬度確定摩擦頭軸肩的直徑D，摩擦頭軸肩的直徑D與一次表面復合材料化的寬度相等，確定下孔道3-3的內(nèi)徑為0. 5D 0. 25D，凹形軸肩面2_1的外邊緣比凹形軸肩面2_1的中心高0. Imm Imm ;—次表面復合材料化的寬度通常在IOmm 32mm,即摩擦頭軸肩的直徑D為10mm 32mm,當D = 10mm時,下孔道3-3的內(nèi)徑為0. 5D (即5mm),當D = 20mm時,下孔道
3-3的內(nèi)徑為0.35D(即7mm)，當D = 32mm時，下孔道3-3的內(nèi)徑為0. 25D(即8mm)；步驟二、添加增強相顆粒向上孔道3-1加入增強相顆粒，將上孔道3-1填滿；此量為增加一次表面復合材料化的長度，可在上孔道3-1上方設置增強相顆粒儲存裝置，持續(xù)的往上孔道3-1內(nèi)添加增強相顆粒；步驟三、調(diào)整摩擦頭的傾斜角調(diào)整摩擦頭的傾斜角即摩擦頭的中心軸線N-N與待處理工件法線的夾角，調(diào)整該夾角為0° 1° ；步驟四、待處理工件表面復合材料層的制備過程對待處理工件表面進行攪拌摩擦加工，具體過程為(I)、將摩擦頭移至待加工件表面，摩擦頭以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面2-1的壓入深度為0. Imm 1mm，壓入后停留I秒 10 秒，使摩擦頭附近的待加工件表面溫度升高，塑性增強；(2)、啟動遙控微型電動機4，且遙控微型電動機4的轉速為10轉/分鐘 100轉/分鐘，增強相顆粒隨著轉動的扇葉7沿中孔道3-2、下孔道3-3流進作用界面，同時控制摩擦頭沿加工方向開始行進，此時增強相顆粒被高速旋轉的摩擦頭碾壓進入待加工件表面的基體中，摩擦頭的旋轉速度為100轉/分鐘 1500轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為5毫米/分鐘 200暈米/分鐘；(3)、壓碾結束的同時，停止遙控微型電動機4旋轉，中孔道3-2被靜止的扇葉7堵塞，增強相顆粒停止加入,停止摩擦頭行進,并將摩擦頭上升離開加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面復合材料的制備。經(jīng)上述方法得到的金屬復合材料進行微觀結構觀察，得到的增強相分布十分彌散、均勻，同時該試樣復合區(qū)晶粒也十分細密，表面復合材料化的綜合性能明顯高于母材。
具體實施方式
五本實施方式為步驟三中摩擦頭的傾斜角為0.5° ;其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式為步驟四中摩擦頭以500轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面2-1的壓入深度為0. 5mm，壓入后停留5秒。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七本實施方式為步驟四中摩擦頭以800轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面2-1的壓入深度為0. 6mm，壓入后停留6秒。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
八本實施方式為步驟四中摩擦頭以1000轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面2-1的壓入深度為0. 8mm，壓入后停留4秒。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
九本實施方式為步驟四中遙控微型電動機4的轉速為50轉/分鐘，摩擦頭的旋轉速度為500轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為50毫米/分鐘。其它步驟與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
十本實施方式為步驟四中遙控微型電動機4的轉速為70轉/分鐘，摩擦頭的旋轉速度為800轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為100毫米/分鐘。其它步驟與具體實施方式
四相同。
權利要求
1.一種中空送料摩擦頭，所述摩擦頭包括攪拌摩擦體和輔助送料裝置，攪拌摩擦體由上圓柱體(I)和下圓柱體(2)組成，所述上圓柱體(I)和下圓柱體(2)上下設置且制成一體，所述上圓柱體(I)的直徑小于下圓柱體(2)的直徑，上圓柱體(I)的外表面上設有夾持面(1-1)，所述下圓柱體(2)的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面(2-1)，其特征在于所述上圓柱體(I)和下圓柱體(2)沿軸線設有孔道(3)，所述孔道(3)由上至下分為三段，分別為上孔道(3-1)、中孔道(3-2)和下孔道(3-3)，上孔道(3-1)的內(nèi)徑與下孔道(3_3)的內(nèi)徑相同，中孔道(3-2)的內(nèi)徑小于上孔道(3-1)的內(nèi)徑，所述下圓柱體(2)上沿徑向設有一橫向通孔(2-2)，橫向通孔(2-2)與下孔道(3-3)相通，所述橫向通孔(2-2)的兩端分別設有與橫向通孔(2-2)同軸且相通的軸承凹槽(2-3)，增強相添加裝置由遙控微型電動機(4)、轉軸(5)、兩個轉動軸承(6)和數(shù)個扇葉(7)組成，所述轉軸(5)設置在橫向通孔(2-2)中，轉軸(5)的兩端分別設置在兩個轉動軸承￠)中，每個軸承凹槽(2-3)裝有一個轉動軸承(6)，數(shù)個扇葉(7)位于下孔道(3-3)中，且數(shù)個扇葉(7)均布安裝在轉軸(5)上，轉軸(5)的輸入端與遙控微型電動機(4)的輸出軸連接，遙控微型電動機(4)固裝在下圓柱體(2)的外表面上。
2.根據(jù)權利要求I所述中空送料摩擦頭，其特征在于每個扇葉(7)的形狀為半圓形，每個扇葉(7)的半徑小于下孔道(3-3)的半徑。
3.根據(jù)權利要求I或2所述中空送料摩擦頭，其特征在于所述摩擦頭還包括隔熱墊片(8)，隔熱墊片⑶設置在下圓柱體(2)與遙控微型電動機⑷之間。
4.一種利用權利要求I所述中空送料摩擦頭實現(xiàn)金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實現(xiàn)的 步驟一、確定摩擦頭的幾何尺寸根據(jù)待處理工件一次表面復合材料化的寬度確定摩擦頭軸肩的直徑D，摩擦頭軸肩的直徑D與一次表面復合材料化的寬度相等，確定下孔道(3-3)的內(nèi)徑為O. O. 25D，凹形軸肩面(2-1)的外邊緣比凹形軸肩面(2_1)的中心高O.Imm Imm ； 步驟二、添加增強相顆粒向上孔道(3-1)加入增強相顆粒，將上孔道(3-1)填滿； 步驟三、調(diào)整摩擦頭的傾斜角調(diào)整摩擦頭的傾斜角即摩擦頭的中心軸線(N-N)與待處理工件法線的夾角，調(diào)整該夾角為0° 1° ； 步驟四、待處理工件表面復合材料層的制備過程對待處理工件表面進行攪拌摩擦加工，具體過程為 (1)、將摩擦頭移至待加工件表面，摩擦頭以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面(2-1)的壓入深度為O. Imm 1mm，壓入后停留I秒 10秒； (2)、啟動遙控微型電動機⑷，且遙控微型電動機⑷的轉速為10轉/分鐘 100轉/分鐘，增強相顆粒隨著轉動的扇葉(7)沿中孔道(3-2)、下孔道(3-3)流進作用界面，同時控制摩擦頭沿加工方向開始行進，此時增強相顆粒被高速旋轉的摩擦頭碾壓進入待加工件表面的基體中，摩擦頭的旋轉速度為100轉/分鐘 1500轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為5暈米/分鐘 200暈米/分鐘； (3)、壓碾結束的同時，停止遙控微型電動機(4)旋轉，中孔道(3-2)被靜止的扇葉(7)堵塞，增強相顆粒停止加入，停止摩擦頭行進，并將摩擦頭上升離開加工件表面，即在加工件表面完成了一道表面復合材料的制備。
5.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟三中摩擦頭的傾斜角為O. 5°。
6.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中摩擦頭以500轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面(2-1)的壓入深度為O.5mm,壓入后停留5秒。
7.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中摩擦頭以800轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面(2-1)的壓入深度為O.6mm,壓入后停留6秒。
8.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中摩擦頭以1000轉/分鐘的轉速壓入待處理工件表面中，凹形軸肩面(2-1)的壓入深度為O.8mm,壓入后停留4秒。
9.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中遙控微型電動機⑷的轉速為50轉/分鐘，摩擦頭的旋轉速度為500轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為50毫米/分鐘。
10.根據(jù)權利要求4所述金屬材料表面復合材料的制備方法，其特征在于步驟四中遙控微型電動機(4)的轉速為70轉/分鐘，摩擦頭的旋轉速度為800轉/分鐘，摩擦頭的行進速度為100毫米/分鐘。
全文摘要
中空送料摩擦頭及金屬材料表面復合材料的制備方法，它涉及一種攪拌摩擦焊的摩擦頭及焊接方法，以解決金屬基復合材料的制備需將增強相預置在待加工件中，導致加工過程中，發(fā)生顆粒飛濺及推移，使得增強相分布不均的問題。焊具上圓柱體和下圓柱體上下設置且制成一體，下圓柱體的下端面為凹形軸肩面，上圓柱體和下圓柱體沿軸線設有上孔道、中孔道和下孔道，數(shù)個扇葉位于下孔道中，且數(shù)個扇葉均布安裝在轉軸上，轉軸的輸入端與遙控微型電動機的輸出軸連接。方法一、確定摩擦頭的幾何尺寸；二、添加增強相顆粒；三、調(diào)整摩擦頭的傾斜角；四、對待處理工件表面進行攪拌摩擦加工，實現(xiàn)一道表面復合材料的制備。本發(fā)明用于金屬材料表面復合材料制備。
文檔編號B23K20/12GK102632334SQ20121008790
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者萬龍, 劉會杰, 呂世雄, 王天昊, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學