一种可约束摩擦堆焊飞边的装置及材料表面堆焊方法与流程

本发明涉及摩擦表面堆焊技术领域，特别是涉及一种可约束摩擦堆焊飞边的装置及材料表面堆焊方法。

背景技术：

摩擦堆焊工艺的雏形最早见于chopstick和neelands在1941年提交的专利申请书，于20世纪50年代后期由前苏联研究人员开发出来并成功应用于许多工业领域。随后，英美等许多国家也开始对这一先进的加工方法进行深入研究并应用。目前，摩擦堆焊工艺已在许多发达国家得到了较为广泛的应用。摩擦堆焊由常规摩擦焊衍生而来，是以摩擦热作为耗材过渡的驱动力使其沉积于母材表面，并与之形成冶金结合的堆焊层过程。它继承了摩擦焊工艺的优点——低能耗、无污染、高效率、加工质量高等，是一项适应未来材料加工方向的绿色制造工艺。

摩擦表面堆焊(frictionsurfacing，fs)在局部表面强化领域的应用日益增加，主要用于制备细晶表层，获得高耐磨性及高耐腐蚀性的表层结构。由于无大量熔化金属存在，此法允许在熔化工艺条件下难以兼容且难以沉积的异种材料间进行。与其他替代技术相比，能效低且环境影响率小亦是其关键优势。其主要应用包括修复表面磨损，修补表面裂纹，及表面性能强化等。现有的fs已经成为研究的热点。研究表明fs可以实现摩擦堆焊，但摩擦棒的飞边很大，大部分金属因此流失。所以摩擦堆焊过程中需要解决摩擦棒产生的飞边问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可约束摩擦堆焊飞边的装置及材料表面堆焊方法，通过在摩擦棒外环套上摩擦棒约束套及轴承与特殊形状的轴承套的方式达到在不影响摩擦棒运动下约束并减少飞边的产生，能有效地解决材料利用率低、提高界面结合率及提高致密度的问题，并且在轴承套中嵌入开孔的保护气输送管中输入保护气以便达到冷却摩擦棒并防止工件氧化的效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种可约束摩擦堆焊飞边的装置，包括底板、约束架、约束套、轴承套和轴承，所述底板中部设置有凹槽，所述凹槽一端设置有压块，所述底板两侧安装有所述约束架，所述轴承套设置在所述约束架内侧，所述轴承套与所述约束架滑动连接，所述轴承套中部开有通孔，所述通孔内安装有所述轴承，所述轴承套与所述凹槽之间设置有所述约束套，所述约束套为轴套结构且内部设有阶梯孔，所述通孔与所述阶梯孔同轴设置，所述约束套的底部孔直径与所述凹槽宽度相同且小于所述约束套的中部孔直径。

优选的，所述轴承套的下端开有环形凹槽，所述环形凹槽与所述通孔同轴设置且所述环形凹槽的直径大于所述通孔的直径，所述环形凹槽的两个端部平行穿出所述轴承套，所述环形凹槽内嵌有保护气输送管，所述保护气输送管朝所述底板方向开有出气孔；

优选的，所述约束套的阶梯孔还包括上部孔，所述上部孔与所述底部孔直径相等，所述底部孔的长度与所述凹槽的深度相同；

优选的，所述约束架对称设置在凹槽的两侧，所述约束架的外部通过螺栓固定在所述底板上，所述约束架的内部为直角板，所述直角板的水平板通过万向球与所述轴承套滑动连接，所述万向球安装在所述轴承套上端的螺栓孔内；

优选的，所述底板的四周还设置有u型槽，所述u型槽用于所述底板装夹在工作台上；

本发明还提供了一种使用可约束摩擦堆焊飞边的装置对材料表面堆焊的方法，包括以下步骤：

(1)焊前准备：将底板水平装夹在工作台上，再将工件水平放置在底板的凹槽中，通过压块将工件夹紧在底板上；将摩擦棒套入摩擦棒约束套中并将轴承套在摩擦棒约束套的托盘上端，在轴承套的上端4个螺栓孔中安装万向球，在轴承套的下端环形凹槽中嵌入开有出气孔的保护气输送管且开孔位置朝向底板，同时调节好保护气输入流量及管口角度，将装配好的轴承套与轴承过盈配合安装，将与约束组件配合好的摩擦棒安装至焊机主轴，调节焊机主轴位置使摩擦棒下端面与工件上端面垂直距离为0.5～1mm；将轴承套边线旋转到与底板边线平行的位置，将约束架水平安装在底板上并用螺栓旋紧，此时轴承套的两侧端面与约束架内壁平行且留有0.5～1mm的间隙；摩擦棒与工件均为金属材料，保护气输送管中输入的保护气为冷却摩擦棒且防止工件氧化的保护气；

(2)焊接：启动焊机，摩擦棒旋转，垂直向下运动，随后摩擦棒底端与工件上端面接触，待摩擦棒底端与工件上端面完全接触后，打开保护气开关，保护气通过保护气输送管中的出气孔向摩擦棒及工件流出；焊接开始，焊接过程中摩擦棒、保护气输送管同时沿焊接方向运动，且始终保持相对位置不变，摩擦棒旋转速度为750～1500rpm，焊接速度为23.5～100mm/min，摩擦棒倾角为0～2°，摩擦棒下压速度0.3～0.5mm/s，通过摩擦棒下端面与工件摩擦产热，实现堆焊；

(3)焊后清理：待摩擦棒提起后，延时3～4s关闭保护气开关，拆卸夹具。

优选的，所述摩擦棒的旋转速度为750rpm，焊接速度为30mm/min，摩擦棒倾角为2°，下压速度为0.3mm/s；

优选的，在所述步骤2中，所述摩擦棒的旋转速度为950rpm，焊接速度为45mm/min，摩擦棒倾角为1°，下压速度为0.4mm/s；

优选的，所述摩擦棒的旋转速度为950rpm，焊接速度为60mm/min，摩擦棒倾角为1°，下压速度为0.5mm/s。

本发明相对于现有技术而言取得了以下技术效果：

1、本发明在普通摩擦堆焊的基础上，给摩擦棒加入了一套约束装置，该装置有效的减少了摩擦棒的飞边并且使摩擦棒与工件的接触更充分，从而对材料的利用率、界面结合率及致密度有显著地提升。

2、本发明在约束装置中加入了开孔的保护气输送管，向保护气输送管中通入保护气使保护气流向摩擦棒及工件，有效地冷却摩擦棒并防止工件氧化。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例可约束摩擦堆焊飞边的装置示意图；

图2为本发明实施例摩擦棒的约束套主剖视图；

图3为本发明实施例轴承套反面等轴侧视图；

图4为本发明实施例摩擦堆焊制备功能梯度复合材料示意图；

其中，1-底板、2-基体材料、3-约束架、4-压块、5-轴承套、6-轴承、7-万向球、8-约束套、9-摩擦棒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可约束摩擦堆焊飞边的装置及材料表面堆焊方法，通过在摩擦棒外环套上摩擦棒约束套及轴承与特殊形状的轴承套的方式达到在不影响摩擦棒运动下约束并减少飞边的产生，能有效地解决材料利用率低、提高界面结合率及提高致密度的问题，并且在轴承套中嵌入开孔的保护气输送管中输入保护气以便达到冷却摩擦棒并防止工件氧化的效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-4所示，本实施例对本发明一种可约束摩擦堆焊飞边的装置及材料表面堆焊方法的装置结构和实施过程做出详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种可约束摩擦堆焊飞边的装置，包括底板1、约束架3、约束套8、轴承套5和轴承6，底板1中部设置有凹槽，凹槽用来放置基体材料2，凹槽一端设置有压块4，压块4用来固定放置在凹槽的基体材料2，底板1两侧安装有约束架3，轴承套5设置在约束架3内侧，轴承套5与约束架3滑动连接。

具体的，本实施例的约束架3对称设置在凹槽的两侧，约束架3的外部通过螺栓固定在底板1上，约束架3的内部为直角板，直角板的竖直板设置在凹槽两侧，直角板的水平板通过万向球7与轴承套5滑动连接，万向球7安装在轴承套5上端的螺栓孔内，底板1的四周还设置有u型槽，u型槽用于底板1装夹在工作台上；摩擦棒9穿过轴承套5与基体材料2相抵，摩擦棒9在对基体材料2进行堆焊时需要带动轴承套5在约束架3内移动，万向球7能够很好的起到竖直方向限位的作用，而且还能够使得轴承套5在约束架3内滑动。

在轴承套5中部开有通孔，通孔内安装有轴承6，轴承套5与凹槽之间设置有约束套8，如图2所示，约束套8为轴套结构且内部设有阶梯孔，通孔与阶梯孔同轴设置，约束套8的底部孔直径与凹槽宽度相同且小于约束套8的中部孔直径。约束套8的阶梯孔还包括上部孔，上部孔与底部孔直径相等，底部孔的长度与凹槽的深度相同；摩擦棒9穿过轴承套5内置的轴承6，轴承6能够极大的减小摩擦板与约束套8之间的摩擦，这样摩擦棒9的稳定旋转产生的飞边也会大大减少，从而对材料的利用率、界面结合率及致密度有显著地提升。

摩擦棒9与基体材料2相抵旋转堆焊时，此时的约束套8阶梯孔的底部孔与凹槽形成的空间在两端有空余空间，摩擦棒9高速旋转产生的飞边会甩到空余空间内，不会飞出装置外。

如图3所示，轴承套5的下端开有环形凹槽，环形凹槽与通孔同轴设置且环形凹槽的直径大于通孔的直径，环形凹槽的两个端部平行穿出轴承套5，环形凹槽内嵌有保护气输送管，保护气输送管朝底板1方向开有出气孔；在摩擦棒9高速旋转工作时，保护气输送管通过出气孔输入保护气以便达到冷却摩擦棒9并防止基体材料2等工件氧化的效果。

如图1和4所示，本实施例还提供了一种使用可约束摩擦堆焊飞边的装置对材料表面堆焊的方法，包括以下步骤：

(1)焊前准备：将底板1水平装夹在工作台上，再将基体材料2水平放置在底板1的凹槽中，通过压块4将基体材料2夹紧在底板1上；将摩擦棒9套入摩擦棒9约束套8中并将轴承套5在摩擦棒9约束套8的托盘上端，在轴承套5的上端4个螺栓孔中安装万向球7，在轴承套5的下端环形凹槽中嵌入开有出气孔的保护气输送管且开孔位置朝向底板1，同时调节好保护气输入流量及管口角度，将装配好的轴承套5与轴承6过盈配合安装，将与约束组件配合好的摩擦棒9安装至焊机主轴，调节焊机主轴位置使摩擦棒9下端面与基体材料2上端面垂直距离为0.5～1mm；将轴承套5边线旋转到与底板1边线平行的位置，将约束架3水平安装在底板1上并用螺栓旋紧，此时轴承套5的两侧端面与约束架3内壁平行且留有0.5～1mm的间隙；摩擦棒9与基体材料2均为金属材料，保护气输送管中输入的保护气为冷却摩擦棒9且防止基体材料2氧化的保护气；

(2)焊接：启动焊机，摩擦棒9旋转，垂直向下运动，随后摩擦棒9底端与基体材料2上端面接触，待摩擦棒9底端与基体材料2上端面完全接触后，打开保护气开关，保护气通过保护气输送管中的出气孔向摩擦棒9及基体材料2流出；焊接开始，焊接过程中摩擦棒9、保护气输送管同时沿焊接方向运动，且始终保持相对位置不变，摩擦棒9旋转速度为750～1500rpm，焊接速度为23.5～100mm/min，摩擦棒9倾角为0～2°，摩擦棒9下压速度0.3～0.5mm/s，通过摩擦棒9下端面与基体材料2摩擦产热，实现堆焊；如图4所示，在堆焊过程中，可以使用不同材料的摩擦棒9进行连续堆焊，能够制成功能梯度的复合材料。

(3)焊后清理：待摩擦棒9提起后，延时3～4s关闭保护气开关，拆卸夹具。

在实施例1的基础上，对于实施例1中一种使用可约束摩擦堆焊飞边的装置对材料表面堆焊的方法中的步骤2中，有以下优选实施例：

实施例2，在步骤2中，摩擦棒9的旋转速度为750rpm，焊接速度为30mm/min，摩擦棒9倾角为2°，下压速度为0.3mm/s。

实施例3，在步骤2中，摩擦棒9的旋转速度为950rpm，焊接速度为45mm/min，摩擦棒9倾角为1°，下压速度为0.4mm/s。

实施例4，在步骤2中，摩擦棒9的旋转速度为950rpm，焊接速度为60mm/min，摩擦棒9倾角为1°，下压速度为0.5mm/s。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。