专利名称：一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属基复合材料和焊接领域，特别提供了一种由金属陶瓷与合金工具 钢采用真空钎焊连接技术制备的复合式搅拌摩擦焊接工具，该焊接工具适用于颗粒增强金 属基复合材料的搅拌摩擦焊接。
背景技术：
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术，自问世以来 受到人们的极大关注，已成功应用于铝、镁等金属材料的焊接，引发了航空、航天、铁路、汽 车及造船等装备制造领域生产技术的变革，取得了显著的经济效益和社会效益。焊接工具设计是搅拌摩擦焊技术的核心，而选择合适的焊接工具材料是实现工具 设计思想、取得高质量连接的关键，其中最为重要的是焊接工具的工作部分-搅拌头的材 料选择。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机作用并形成接头，搅拌头 在此过程中直接承受热载、力载及摩擦磨损。在焊接铝、镁等较软材料时，搅拌头材料一般 采用工具钢即可满足要求，因而焊接工具通常采用整体式结构，即搅拌头和夹持部分为同 一材质的整体。对于颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接，坚硬陶瓷颗粒的存在使搅拌头在 焊接过程中发生严重磨损，尤其是在较高转速焊接时，磨损更为严重。搅拌头磨损不仅降低 其使用寿命，无法保证长距离焊接，而且由搅拌头磨损引入焊缝中的杂质元素还会与复合 材料的基体元素反应形成新的化合物，不利于接头力学性能提高。高硬耐磨合金或结构陶 瓷虽然可以满足复合材料的搅拌摩擦焊的耐磨性要求，然而这些材料的制造和加工难度都 较大，并且陶瓷的脆性无法满足搅拌摩擦焊的复杂受力条件。金属陶瓷是由陶瓷颗粒与耐热金属合金组成的一种多相复合材料，具有高的硬度 和耐磨性，优良的高温抗氧化性、耐蚀性及与金属较低的摩擦系数。与合金工具钢相比，金 属陶瓷的高硬度和耐磨性使之成为金属基复合材料搅拌摩擦焊接工具材料的理想选择。然 而，如果制备整体式金属陶瓷焊接工具，不仅烧结制备困难、制备成本高、材料浪费大，而且 后续加工量大，成品率低。尤其重要的是，金属陶瓷韧性明显低于金属合金，在搅拌摩擦焊 接的复杂受力情况下易于损伤。考虑到，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头是焊接的工作部分， 主要要求磨损性能；而夹持端在焊接时承受较大的扭力和横向剪切力，需要良好的韧性，因 而设计由不同特性材料组成的复合式焊接工具，可望获得最佳的焊接工具性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工 具，解决现有技术中整体式金属陶瓷焊接工具不仅烧结制备困难、制备成本高、材料浪费 大，而且后续加工量大、成品率低等问题，适用于不连续增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊 接。本发明的技术方案是
一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，该复合式焊接工具设 有夹持端、轴肩和搅拌针，轴肩安装于夹持端前端，搅拌针插装于轴肩和夹持端；所述焊接 工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，焊接工具的夹持端采用合金工具钢，焊 接工具由两种材料通过真空钎焊连接复合构成。所述高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒为增强相，以耐高温金属合金为粘结相， 由粉末冶金真空烧结方法制备，硬度HRCM 65。所述增强相为TiC、Ti (C，N)、WC或TiB2，粘结相为Ni基、Co基或！^基合金。所述焊接工具轴肩和搅拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶瓷硬 度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度稍高。所述焊接工具的轴肩、搅拌针及夹持端采用真空钎焊方法连接，选用铜基或镍基 焊料。所述金属基复合材料是指各种陶瓷颗粒或晶须增强的铝基、镁基、铜基或锌基复 合材料。本发明提供的真空钎焊连接技术，包括如下步骤1、选用铜基或镍基片状或膏状焊料，如CuMnCo、CuMnNi, BNi-2焊料等。2、焊接工具夹持端、轴肩、搅拌针与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施 加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。3、真空钎焊温度为1000 1100°C，保温时间30 60min。另外，本发明提供的复合式焊接工具也可以仅将焊接工具夹持端与金属陶瓷轴肩 两者之间进行真空钎焊连接，而搅拌针采用紧固螺栓固定，从而形成一种复合-组合一体 式焊具结构。本发明的有益效果是本发明的复合式焊接工具与传统钢质焊接工具相比，在搅拌摩擦焊接颗粒增强金 属基复合材料时，其耐磨性和使用寿命可提高100倍以上，且不会引入杂质污染焊缝，可获 得高的焊缝强度系数和高的焊缝表面质量。另外，本专利采用钎焊连接结构，即可节约价格 昂贵且难加工的金属陶瓷材料，又降低了焊接工具的加工成本，还便于搅拌针形状的修改， 大大提高了焊接工具的灵活性、可靠性及实用性。
图1为本发明的复合式焊接工具结构示意图。图2为本发明的复合-组合一体式焊接工具结构示意图。图中，1夹持端；2轴肩；3搅拌针；4钎焊焊缝；5紧固螺栓。
具体实施例方式如图1所示，本发明用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，主要 由夹持端1、轴肩2和搅拌针3等组成，轴肩2安装于夹持端1前端，搅拌针3插装于轴肩2 和夹持端1，夹持端1选用合金工具钢，轴肩2和搅拌针3采用高强耐磨金属陶瓷，轴肩及搅 拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶瓷硬度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度 稍高。本发明中，夹持端1、轴肩2和搅拌针3采用真空钎焊技术连接成复合式焊接工具，轴肩2、搅拌针3与夹持端1之间为钎焊焊缝4。如图2所示，本发明用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，也可 以仅将焊接工具夹持端1与金属陶瓷轴肩2两者之间进行真空钎焊连接，轴肩2与夹持端 1之间为钎焊焊缝4，而搅拌针3采用紧固螺栓5固定，从而形成复合-组合一体式焊具结 构。本发明提供的高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒(如TiC、Ti(C，N)、WC或TiB2) 为增强相，以耐热金属合金(如Ni基、Co基或狗基)为粘结相，由粉末冶金真空烧结方法 制备，硬度HRCM 65。实施例1焊接工具夹持端选用H13钢，与轴肩接触端尺寸为Φ12πιπι。轴肩选用Ti (C，N)/ NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为外圆Φ 12mm，内孔Φ4πιπι，高度4mm。搅拌针选用Ti (C， N) /NiCr金属陶瓷，硬度为HRC63，尺寸Φ 4 X 18mm,伸出轴肩部分长3mm。钎焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0.2mm。焊接工具夹持端、轴肩、搅拌针与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻 流剂，施加压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050°C，保温时间 60mino采用该实施例制造的复合式焊接工具搅拌摩擦焊接3mm厚17vol. % SiC/2009Al 复合材料板，在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接2000mm焊缝后， 该复合式焊接工具搅拌针3及轴肩2部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数无明显变 化，均达到85%以上。对比例1焊接工具为采用H13钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例1完全相同，加 工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC47。采用H13钢焊接工具进行3mm厚17vol. % SiC/2009Al复合材料板的搅拌摩擦焊 接，在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接IOOOmm焊缝后，搅拌针 已发生严重磨损，搅拌针重量减少对％，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约 80 %，尾端焊缝强度系数仅约62 %。实施例2焊接工具夹持端选用M42钢，与轴肩接触端尺寸为Φ20πιπι。轴肩选用Ti (C，N)/ NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为外圆Φ 20mm，内孔Φ 8mm，高度5mm。钎焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0. 2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加 压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050°C，保温时间60min。搅拌 针选用硬度为HRC63的Ti (C，N)/NiCr金属陶瓷，尺寸Φ8X25mm，搅拌针采用M6螺栓固定 在焊接工具夹持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长6mm。采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接6mm厚20vol. % SiC/2009Al复合材料板，在转速为1000转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接 2000mm焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强 度系数变化不明显，均达到80%以上。对比例2焊接工具为采用M42钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例2完全相同，加工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC66。采用M42钢焊接工具进行6mm厚20vol. % SiC/2009Al复合材料板的搅拌摩擦焊 接，在转速为1000转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接IOOOmm焊缝后，搅拌针 已发生严重磨损，搅拌针重量减少21%，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约 78 %，尾端焊缝强度系数仅约63 %。实施例3焊接工具夹持端选用H13钢，与轴肩接触端尺寸为Φ20πιπι。轴肩选用WC-Co硬质 合金，硬度HRC62，尺寸为外圆Φ20πιπι，内孔Φ8πιπι，高度5mm。钎焊料采用CuMnCo焊料，厚 度0. 2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加压块后 放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1040°C，保温时间60min。搅拌针选用 与轴肩相同硬度的WC-Co硬质合金，尺寸Φ 8 X 25mm,搅拌针采用M6螺栓固定在焊接工具夹 持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长6mm。采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接6mm厚15vol. % B4C/6061A1复合材料板，在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接 IOOOmm焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强 度系数变化不明显，均达到80%以上。对比例3焊接工具为采用H13钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例3完全相同，加 工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC47。采用H13钢焊接工具进行6mm厚15vol. % B4C/6061A1复合材料板的搅拌摩擦焊 接，在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接500mm焊缝后，搅拌针已发 生严重磨损，搅拌针重量减少20%，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约78%， 尾端焊缝强度系数仅约67%。实施例4焊接工具夹持端选用M42钢，与轴肩接触端尺寸为Φ18πιπι。轴肩选用Ti(C，N)/ NiCr金属陶瓷，硬度HRC56，尺寸为外圆Φ 18mm，内孔Φ 7mm，高度5mm。钎焊料采用CuMnNi 焊料，厚度0. 2mm。焊接工具夹持端、轴肩与焊料装配好后在非焊接表面涂防焊阻流剂，施加 压块后放入真空钎焊炉中进行加热钎焊。真空钎焊温度为1050°C，保温时间60min。搅拌 针选用硬度为HRC63的Ti (C，N)/NiCr金属陶瓷，尺寸Φ 7 X 24mm，搅拌针采用M6螺栓固定 在焊接工具夹持端，如图2所示。搅拌针伸出轴肩部分长5mm。采用该实施例制造的复合-组合一体式焊接工具搅拌摩擦焊接5mm厚15vol. % SiC/AZ91复合材料板，在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接IOOOmm 焊缝后，该复合-组合式焊接工具搅拌针及轴肩部分无明显磨损，焊缝前端、尾端强度系数 变化不明显，均达到82 %以上。对比例4焊接工具为采用M42钢制造的整体式结构，工具几何尺寸与实施例4完全相同，加 工后进行淬火和回火处理，硬度为HRC66。采用M42钢焊接工具进行5mm厚15vol. % SiC/AZ91复合材料板的搅拌摩擦焊接， 在转速为800转/分、焊速为IOOmm/分焊接参数下，连续焊接500mm焊缝后，搅拌针已发生严重磨损，搅拌针重量减少14%，轴肩部分也发生明显磨损，前端焊缝强度系数约78%，尾 端焊缝强度系数约70%。
权利要求
1.一种用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征在于该复合式 焊接工具设有夹持端、轴肩和搅拌针，轴肩安装于夹持端前端，搅拌针插装于轴肩和夹持 端，所述焊接工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，焊接工具的夹持端采用合 金工具钢，焊接工具由两种材料通过真空钎焊连接复合构成。
2.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征 在于，所述高强耐磨金属陶瓷材料以陶瓷颗粒为增强相，以耐高温金属合金为粘结相，由粉 末冶金真空烧结方法制备，硬度HRCM 65。
3.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征 在于，所述增强相为Tic、Ti (C，N)、WC或TiB2，粘结相为Ni基、Co基或Fe基合金。
4.根据权利要求1-3之一所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具， 其特征在于，所述焊接工具轴肩和搅拌针可选用不同硬度的金属陶瓷材料，轴肩用金属陶 瓷硬度稍低，搅拌针用金属陶瓷硬度稍高。
5.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特 征在于，所述焊接工具的轴肩、搅拌针及夹持端采用真空钎焊方法连接，选用铜基或镍基焊 料。
6.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征 在于，所述焊接工具也可只将夹持端与金属陶瓷轴肩两者之间进行真空钎焊连接，而搅拌 针采用紧固螺栓固定。
7.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征 在于，所述真空钎焊温度为1000 1100°C，保温时间30 60min。
8.根据权利要求1所述用于金属基复合材料搅拌摩擦焊接的复合式焊接工具，其特征 在于，所述金属基复合材料是指各种陶瓷颗粒或晶须增强的铝基、镁基、铜基或锌基复合材 料。
全文摘要
本发明涉及金属基复合材料和焊接领域，特别提供了一种由金属陶瓷与合金工具钢采用真空钎焊连接技术制备的复合式搅拌摩擦焊接工具，该焊接工具适用于颗粒增强金属基复合材料的搅拌摩擦焊接。所述焊接工具的轴肩和搅拌针采用高强耐磨金属陶瓷材料，而夹持端采用合金工具钢，焊接工具由两种材料通过真空钎焊连接构成。所述焊接工具用高强耐磨金属陶瓷材料是以陶瓷颗粒为增强相，以耐热金属合金为粘结相，通过粉末冶金真空烧结方法制备。本发明的复合式焊接工具与传统钢质焊接工具相比，在搅拌摩擦焊接颗粒增强金属基复合材料时，其耐磨性和使用寿命可提高100倍以上，且不会引入杂质污染焊缝，可获得高的焊缝强度系数和高的焊缝表面质量。
文档编号B23K20/26GK102107328SQ20091024867
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者王东, 王全兆, 肖伯律, 马宗义 申请人:中国科学院金属研究所