權(quán)利要求

1.基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，其特征在于：包括攪拌針、軸向推環(huán)、推軸、水冷外套筒和軸肩圓環(huán)，所述攪拌針、軸向推環(huán)和軸肩圓環(huán)同軸設(shè)置，各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，且位于最內(nèi)層的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，且所述軸肩圓環(huán)位于水冷外套筒內(nèi)，而所述攪拌針的下端伸出水冷外套筒；各個(gè)軸肩圓環(huán)的上端通過相應(yīng)的銷釘與軸向推環(huán)連接，所述推軸與軸向推環(huán)之間通過軸承連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，其特征在于：所述軸肩圓環(huán)的材料為Al、Co、Cr、Fe、W中的任意一種或組合。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，其特征在于：各個(gè)軸肩圓環(huán)的壁厚相等。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，其特征在于：各個(gè)軸肩圓環(huán)采用不同的金屬材料制成。 

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，其特征在于：各個(gè)推軸相對(duì)于攪拌針圓周均勻分布。 

6.基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，包括以下步驟： S1、軸肩圓環(huán)的制備：根據(jù)被焊工件，確定軸肩圓環(huán)的材料，并制備成不同直徑的軸肩圓環(huán)； S2、攪拌頭的裝備：將制備好的軸肩圓環(huán)通過銷釘固定在軸向推環(huán)的下端，且各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，再將直徑最小的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，而直徑最大的軸肩圓環(huán)被水冷套筒套接，將各個(gè)推軸均勻固定在軸向推環(huán)的上端，以完成攪拌頭的裝配； S3、攪拌摩擦焊接：將裝配好的攪拌頭安裝在焊機(jī)主軸，并設(shè)置焊接參數(shù)，開啟焊接設(shè)備，攪拌針以一定速度旋轉(zhuǎn)以對(duì)被焊材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接；與此同時(shí)軸肩圓環(huán)以一定速度旋轉(zhuǎn)，且在軸向推環(huán)和推軸的推動(dòng)下，軸肩圓環(huán)以一定速度向被焊工件方向運(yùn)動(dòng)，軸肩圓環(huán)的下端不斷塑化消耗，塑化后的軸肩圓環(huán)材料融入焊縫后發(fā)生冶金結(jié)合，增強(qiáng)整個(gè)焊縫的耐受性。 

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，其特征在于：在步驟S3中，塑化后的軸肩圓環(huán)材料中的一部分在攪拌針的攪動(dòng)作用下融入焊縫內(nèi)部發(fā)生冶金結(jié)合，另一部分在焊縫表面形成冶金耐受層。 

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，其特征在于：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)同速同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度均為800rpm，焊接速度為200mm/min。 

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，其特征在于：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)差速逆向旋轉(zhuǎn)，其中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度均為300-800rpm，軸肩圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度為400-1200rpm，焊接速度為50-200mm/min。 

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，其特征在于：在步驟S3中，軸肩圓環(huán)沿軸向推動(dòng)軸肩圓環(huán)的進(jìn)給速度為0.1~1mm/min。

說(shuō)明書

基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭及焊接方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接技術(shù)，具體涉及一種基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭及焊接方法。

背景技術(shù)

攪拌摩擦焊接作為一項(xiàng)固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔焊方法相比，具有焊接熱輸入低、焊接變形小、接頭質(zhì)量高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、軌道車輛、海洋船舶等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。然而，諸多接頭需在磨損和腐蝕等惡劣環(huán)境中服役，與母材相比，焊縫處易出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損和腐蝕問題，從而導(dǎo)致構(gòu)件的使用壽命降低。為了提高焊縫的耐磨、耐蝕性，通常采用熔覆、噴涂、電鍍等方式，在焊縫上制備一層耐磨、耐腐蝕涂層。例如：CN108453367A公布了一種用于增加特殊粉末材料的攪拌摩擦表面加工改性的攪拌頭，通過在軸肩開設(shè)螺旋槽孔，使粉末顆粒通過螺旋槽孔涂敷在金屬表面。該方法是一種在焊接完成之后，對(duì)焊縫表面進(jìn)行二次處理的工藝，增加了時(shí)間成本；而且，這種借助二次處理工藝涂敷粉末的方式，只能在焊縫表面形成保護(hù)層，而無(wú)法深入到焊縫內(nèi)部，增強(qiáng)整個(gè)焊縫的耐受性；最后，這種涂覆方式難以形成堅(jiān)固的冶金結(jié)合層，易在接頭服役過程中發(fā)生涂層脫落現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)、增強(qiáng)效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭。采用此基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭進(jìn)行焊接時(shí)，不需要對(duì)焊縫進(jìn)行二次處理，而是伴隨焊接過程的進(jìn)行，同步達(dá)到提高焊縫耐磨、耐蝕性能的目的。

同時(shí)本發(fā)明的另一目的是提供了一種基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，包括攪拌針、軸向推環(huán)、推軸、軸肩圓環(huán)和水冷外套筒，所述攪拌針、軸向推環(huán)和軸肩圓環(huán)同軸設(shè)置，各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，且位于最內(nèi)層的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，且所述軸肩圓環(huán)位于水冷外套筒內(nèi)，而所述攪拌針的下端伸出水冷外套筒；各個(gè)軸肩圓環(huán)的上端通過相應(yīng)的銷釘與軸向推環(huán)連接，所述推軸與軸向推環(huán)之間通過軸承連接。

優(yōu)選的，所述軸肩圓環(huán)的材料為Al、Co、Cr、Fe、W中的任意一種或組合。

優(yōu)選的，各個(gè)軸肩圓環(huán)的壁厚相等。

優(yōu)選的，各個(gè)軸肩圓環(huán)采用不同的金屬材料制成。

優(yōu)選的，各個(gè)推軸相對(duì)于攪拌針圓周均勻分布。

基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，采用上述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，包括以下步驟：

S1、軸肩圓環(huán)的制備：根據(jù)被焊工件，確定軸肩圓環(huán)的材料，并制備成不同直徑的軸肩圓環(huán)；

S2、攪拌頭的裝配：將制備好的軸肩圓環(huán)通過銷釘固定在軸向推環(huán)的下端，且各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，再將直徑最小的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，而直徑最大的軸肩圓環(huán)被水冷套筒套接，將各個(gè)推軸均勻固定在軸向推環(huán)的上端，以完成攪拌頭的裝配；

S3、攪拌摩擦焊接：將裝配好的攪拌頭安裝在焊機(jī)主軸，并設(shè)置焊接參數(shù)，開啟焊接設(shè)備，攪拌針以一定速度旋轉(zhuǎn)以對(duì)被焊材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接；與此同時(shí)軸肩圓環(huán)以一定速度旋轉(zhuǎn)，且在軸向推環(huán)和推軸的推動(dòng)下，軸肩圓環(huán)以一定速度向被焊工件方向運(yùn)動(dòng)，軸肩圓環(huán)的下端不斷塑化消耗，塑化后的軸肩圓環(huán)材料融入焊縫后發(fā)生冶金結(jié)合，增強(qiáng)整個(gè)焊縫的耐受性。

優(yōu)選的，在步驟S3中，塑化后的軸肩圓環(huán)材料中的一部分在攪拌針的攪動(dòng)作用下融入焊縫內(nèi)部發(fā)生冶金結(jié)合，另一部分在焊縫表面形成冶金耐受層。

優(yōu)選的，在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)同速同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度均為300-800rpm，焊接速度為50-200mm/min。

優(yōu)選的，在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)差速逆向旋轉(zhuǎn)，其中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度均為300-800rpm，軸肩圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度為400-1200rpm，焊接速度為50-200mm/min。

優(yōu)選的，在步驟S3中，軸肩圓環(huán)沿軸向推動(dòng)軸肩圓環(huán)的進(jìn)給速度為0.1~1mm/min。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明采用了消耗型軸肩圓環(huán)，且各個(gè)軸肩圓環(huán)可以是相同或不同的金屬，從而可以一次向焊縫中過渡不同的合金元素，提高焊縫的耐磨、耐蝕性能；與傳統(tǒng)的鍍膜或涂層等機(jī)械結(jié)合方式相比，本發(fā)明通過強(qiáng)冶金結(jié)合的方式，向焊縫中過渡不同的合金元素，顯著增強(qiáng)焊縫的服役壽命。

（2）傳統(tǒng)的熔覆、噴涂、電鍍等方式均是借助焊后二次處理的方式，導(dǎo)致焊接成本增加；而采用本發(fā)明的攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，消耗型軸肩圓環(huán)的金屬會(huì)融入焊縫并在焊縫表面形成耐受冶金層，從而實(shí)現(xiàn)隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。

（3）傳統(tǒng)技術(shù)通常只能在焊縫表層制備耐受層，無(wú)法使整個(gè)焊縫的耐受性增強(qiáng)。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)消耗型軸肩圓環(huán)向焊縫過渡合金元素，結(jié)合攪拌針的機(jī)械攪拌，使焊縫表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生強(qiáng)冶金反應(yīng)，增強(qiáng)整個(gè)焊縫的耐受性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭的焊接過程示意圖。其中箭頭ν為焊接方向。

圖2是本發(fā)明的攪拌頭的第一狀態(tài)剖視圖。

圖3是本發(fā)明的攪拌頭的第二狀態(tài)剖視圖。

其中，1為攪拌針，2為軸向推環(huán)，3為推軸，4為軸肩圓環(huán)，5為水冷外套筒，6為被焊工件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1所示的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，包括攪拌針、軸向推環(huán)、推軸、水冷外套筒和軸肩圓環(huán)，所述攪拌針、軸向推環(huán)和軸肩圓環(huán)同軸設(shè)置，各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，且位于最內(nèi)層的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，且所述軸肩圓環(huán)位于水冷外套筒內(nèi)，而所述攪拌針的下端伸出水冷外套筒；各個(gè)軸肩圓環(huán)的上端通過相應(yīng)的銷釘與軸向推環(huán)連接，所述推軸與軸向推環(huán)之間通過軸承連接。具體的，軸肩圓環(huán)為消耗型軸肩軸環(huán)，攪拌針在對(duì)被焊工件攪拌摩擦焊接的過程中，軸肩圓環(huán)在推軸的作用下以一定速度下壓，軸肩圓環(huán)的下端與被焊接工件接觸摩擦，則軸肩圓環(huán)的端部塑化，塑化后的軸肩圓環(huán)中的一部分融入焊縫，另一部分在焊縫表面形成冶金耐受層。從而增強(qiáng)焊縫的服役壽命，提高焊縫的耐磨、耐蝕性能。

所述軸肩圓環(huán)的材料為Al、Co、Cr、Fe、W中的任意一種或組合。軸肩圓環(huán)的材料不僅限于此，具體根據(jù)被焊工件的材料而定，即軸肩圓環(huán)的材料可與被焊工件的材料發(fā)生冶金結(jié)合，從而可形成耐受性焊縫，提高焊縫的耐腐蝕、耐磨損等性能。

各個(gè)軸肩圓環(huán)的壁厚相等。各個(gè)軸肩圓環(huán)采用不同的金屬材料制成。軸肩圓環(huán)的壁厚可根據(jù)最終要得到的冶金耐受層中各金屬材料而確定，以進(jìn)一步提高焊縫的冶金結(jié)合效果，保證焊縫的性能。

各個(gè)推軸相對(duì)于攪拌針圓周均勻分布。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可確保受力均勻，保證各個(gè)軸肩圓環(huán)的塑化效果，確保焊縫的性能。

基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法，采用上述的基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性攪拌頭，包括以下步驟：

S1、軸肩圓環(huán)的制備：根據(jù)被焊工件，確定軸肩圓環(huán)的材料，并制備成不同直徑的軸肩圓環(huán)；

S2、攪拌頭的裝備：將制備好的軸肩圓環(huán)通過銷釘固定在軸向推環(huán)的下端，且各個(gè)軸肩圓環(huán)依次套接，再將直徑最小的軸肩圓環(huán)套接在攪拌針，而直徑最大的軸肩圓環(huán)被水冷套筒套接，將各個(gè)推軸均勻固定在軸向推環(huán)的上端，以完成攪拌頭的裝配；

S3、攪拌摩擦焊接：將裝配好的攪拌頭安裝在焊機(jī)主軸，并設(shè)置焊接參數(shù)，開啟焊接設(shè)備，攪拌針以一定速度旋轉(zhuǎn)以對(duì)被焊材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接；與此同時(shí)軸肩圓環(huán)以一定速度旋轉(zhuǎn)，且在軸向推環(huán)和推軸的推動(dòng)下，軸肩圓環(huán)以一定速度向被焊工件方向運(yùn)動(dòng)，軸肩圓環(huán)的下端不斷塑化消耗，塑化后的軸肩圓環(huán)材料在焊縫表面形成冶金耐受層后發(fā)生冶金結(jié)合，其中塑化后的軸肩圓環(huán)材料中的一部分在攪拌針的攪動(dòng)作用下融入焊縫內(nèi)部發(fā)生冶金結(jié)合，另一部分在焊縫表面形成冶金耐受層，從而增強(qiáng)整個(gè)焊縫的耐受性。

在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)同速同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度均為800rpm，焊接速度為200mm/min。

在步驟S3中，軸肩圓環(huán)沿軸沿軸向推動(dòng)軸肩圓環(huán)的進(jìn)給速度為0.5mm/min。

實(shí)施例2

本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法除以下技術(shù)特征外，同實(shí)施例1：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)差速逆向旋轉(zhuǎn)，其中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度為800rpm，軸肩圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度為1200rpm，焊接速度為200mm/min。與同向旋轉(zhuǎn)相比，攪拌針和軸肩的逆向旋轉(zhuǎn)，更有利于材料進(jìn)行充分的塑性流動(dòng)，從而增強(qiáng)冶金結(jié)合。

實(shí)施例3

本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法除以下技術(shù)特征外，同實(shí)施例1：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)同速同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度均為400rpm，焊接速度為50mm/min。

實(shí)施例4

本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法除以下技術(shù)特征外，同實(shí)施例1：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)同速同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度均為500rpm，焊接速度為100mm/min。

實(shí)施例5

本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法除以下技術(shù)特征外，同實(shí)施例2：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)差速逆向旋轉(zhuǎn)，其中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度均為300rpm，軸肩圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度為400rpm，焊接速度為50mm/min。

實(shí)施例6

本基于強(qiáng)冶金反應(yīng)的隨焊增強(qiáng)焊縫耐受性焊接方法除以下技術(shù)特征外，同實(shí)施例2：在步驟S3中，攪拌針和軸肩圓環(huán)差速逆向旋轉(zhuǎn)，其中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度均為500rpm，軸肩圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度為800rpm，焊接速度為100mm/min。

上述具體實(shí)施方式為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不能對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限定，其他的任何未背離本發(fā)明的技術(shù)方案而所做的改變或其它等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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