[发明专利]一种铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于用于铝合金搅拌摩擦焊工艺的专用搅拌头的制作方法领域，具体涉及一种铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作方法。

背景技术

搅拌摩擦焊技术(Friction Stir Welding，FSW)是一种公知的焊接工艺方法，其通过搅拌头对焊缝两侧的金属母材表面同时进行挤压和高速旋转摩擦，从而产生大量的摩擦热，进而使搅拌头附近焊缝金属达到热塑性状态，并随搅拌头的旋转沿焊缝前进侧向后退侧方向流动，热塑性金属待搅拌头离开后逐渐冷却形成焊缝。

搅拌头作为搅拌摩擦焊工艺的核心部件，若搅拌头在高温摩擦状态下的动态载荷能力差，则会导致其在焊接过程中出现较快的磨损，并且造成搅拌头对焊缝母材所施加的压力和摩擦热在焊接过程中出现预期之外的变化，最终影响焊缝的力学性能质量。此外，在高温摩擦状态下的动态载荷能力差的搅拌头，其使用寿命较短，无法满足需要长时间连续焊接的焊缝需求。

现有搅拌摩擦焊接的搅拌头种类繁多，对于铝合金材料通常选用在480-600℃的温度下保持硬度不降低、长时间工作时耐磨性较好的金属材料。如经过热处理的工具钢、模具钢、镍基合金钢、Co-Al-W合金以及采用两种金属材料的组合式搅拌头。

然而，上述现有的搅拌头均存在高温摩擦状态下长时间工作时的动态承载能力差，使用寿命相对较短的问题。一般表现为，在实际焊接过程中，当搅拌头工作温度为550℃之下时，其洛氏硬度降低达到45HRC-50HRC之间，耐磨损性能降低、搅拌针断裂失效时沿轴肩根部发生断裂，由焊缝焊接长度进行衡量的使用寿命通常在1000米以下。搅拌头作为一种易损件使生产成本提高，并且焊缝缺陷的不可修复性将直接导致母材报废，增加制造成本。因此，通过发明一种满足铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作方法，进而提高搅拌头的高温洛氏硬度力学性能，从而其可以提高铝合金搅拌摩擦焊的质量并延长搅拌头的使用寿命。

发明内容

为了解决现有用于搅拌摩擦焊工艺的专用搅拌头存在的高温洛氏硬度力学性能差，使用寿命短等技术问题，本发明提供一种铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作方法，其包括如下步骤：

步骤一：分别制备碳化钨粉末、钴金属粉末、碳化钒粉末、锰金属粉末、铬金属粉末和镍金属粉末，所述单质金属粉末采用纯度为99.99％，其粉末的颗粒大小均为10－50μm；所述碳化钨粉末或碳化钒粉末的纯度均为99.99％，其粉末的颗粒大小均为20－40μm；

步骤二：将步骤一所述的六种粉末成分按照下述的质量百分含量配比范围均匀混合：

碳化钨合金粉末 30％-45％；

钴金属粉末 5％-10％；

碳化钒粉末 2％-5％；

锰金属粉末 3％-6％；

铬金属粉末 8％-15％；

镍金属粉末 19％-52％；

步骤三：根据所需搅拌头的尺寸和形状制备好相应的搅拌头模具；

步骤四：将步骤二六种粉末混合均匀后放入步骤三所述的搅拌头模具中，并通过冷等静压机进行预成型处理，生成搅拌头预成型坯体；

步骤五：将步骤四所述的搅拌头预成型坯体放入真空烧结炉中进行热压烧结，其烧结工艺包括如下子步骤：

步骤5.1：逐渐将烧结炉升温至800度，并保温2小时；

步骤5.2：将烧结炉升温至1230度，并保温2小时；

步骤5.3：使烧结炉自然冷却至室温，使烧结状态下的合金自然冷却，生成搅拌头；

步骤六：对步骤五所生产的搅拌头进行精磨抛光处理，即可完成铝合金搅拌摩擦焊专用搅拌头的制作过程。

本发明的有益效果是：依照本发明的方法所制作的搅拌摩擦焊专用搅拌头，在工作温度为480℃-600℃之间时，其洛氏硬度能够达到55HRC-62HRC之间，并保持硬度不变。其高温摩擦状态下的使用寿命能够达到1500-2000米的焊缝焊接长度，因此，应用该方法能使其所制备搅拌头的使用寿命大幅提高，减少因搅拌头耐磨损性能降低而造成的搅拌针断裂失效或沿轴肩根部发生断裂的情况发生，并彻底杜绝母材报废而造成的经济损失，从而使应用本方式制备的新型磨头能够更好地适应搅拌摩擦焊工艺对很长的连续焊缝进行长时间连续焊接的作业需求。