[发明专利]一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法

权利要求书

1.一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过前期大量试验，将加工区材料种类、加工参数、固液比例及与之对应的扭矩数据存入计算机；通过机器学习，生成半固态加工在线检测模型，并建立半固态加工模型数据库；

步骤2、将待加工板材水平放置在垫板结构上并固定好；其中垫板结构由垫板与若干等尺寸的垫块组成，等尺寸的垫块放置于垫板的凹槽内，且与垫板的上表面平齐，位于中间位置相邻的两个垫块之间设置有空隙形成板材悬空区域，进而在加工过程中搅拌针正下方为悬空；

步骤3、接通电源，使动态扭矩传感器通电，并通过计算机设定扭矩范围；开启电阻丝辅热装置，并通过计算机设定初始功率值，通过计算机调节功率的所述电阻丝辅热装置安装于搅拌针的主搅拌针的内部；启动搅拌摩擦焊机的主电机，使搅拌摩擦加工工具系统的搅拌针旋转；

步骤4、搅拌针以1000 ~ 70000转/分的转速扎入板材表面且穿透板材，扎入速度为1 ~5mm/min，直到静止轴肩端面与加工板材上表面紧密贴合后，再沿垂直板材表面的方向继续下压0.1 ~ 0.3mm；

步骤5、超声换能器的超声波通过搅拌针直接传递到待加工区域，超声波参数如下：频率为40 ~ 80K、振幅为20 ~ 60μm；

步骤6、当搅拌加工工具系统达到设定的下扎深度时，搅拌针即停止下扎并继续旋转3~ 8min进行材料预热，然后搅拌针以50 ~ 500mm/min的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材表面加工完毕为止；加工过程中，实时扭矩传感器进行加工区的扭矩采集，之后与半固态加工模型数据库进行匹配，当扭矩值在设定范围内时，维持当前工艺参数不变；当扭矩数值高于设定范围时，增大电阻丝辅热装置的功率；当扭矩数值低于设定范围时，减小电阻丝辅热装置的功率；通过闭环反馈不断地调节电阻丝辅热装置的功率，使测得的扭矩值处于设定范围内直至加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，其特征在于：所述搅拌加工工具系统包括搅拌针、超声换能器、超声变幅杆、电阻丝辅热装置、静止轴肩及搅拌摩擦加工设备外壳，所述超声换能器一端与超声变幅杆固定安装，超声变幅杆另一端与搅拌针固定安装，搅拌针由连接在一起的搅拌针轴、主搅拌针和辅助搅拌针三部分组成，搅拌针轴一端与超声变幅杆相连，另一端与主搅拌针的大径端相连，且主搅拌针最大直径小于搅拌针轴的直径以使搅拌针轴底部形成旋转小轴肩，主搅拌针的小径端与辅助搅拌针相连，搅拌针轴上同轴套装有静止轴肩；所述搅拌摩擦加工设备外壳内壁通过螺栓依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器，主电机通过动态扭矩传感器与搅拌加工工具系统的超声换能器连接，扭矩传感器的输出端与计算机相连，计算机与电阻丝辅热装置相连。

3.根据权利要求1所述的一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，其特征在于：所述的主搅拌针为圆锥台状结构，且外表面为锯齿状结构；主搅拌针的最大直径d₂为1.2 ~ 1.5倍板材厚度T，且锥角小于5°，在主搅拌针的内部装有可通过计算机调节功率的电阻丝辅热装置；主搅拌针最大直径处到辅助搅拌针端面最高点的距离H₁比板材厚度T大0.2 ~ 0.5mm，且主搅拌针的最大直径处到辅助搅拌针顶点的距离H₂与主搅拌针最大直径处到辅助搅拌针端面最高点的距离H₁之差比垫块厚度H₃小2 ~ 6mm。

4. 根据权利要求2所述的一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，其特征在于：所述的辅助搅拌针为圆锥体状结构；辅助搅拌针的最大直径d₃为主搅拌针最大直径d₂的1.3 ~ 2倍，上端两条母线的最大夹角β为140°~ 160°，下端两条母线的最大夹角α为90°~ 120°。

5.根据权利要求1所述的一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，其特征在于：通过所述主搅拌针内的电阻丝辅热装置在半固态加工过程中对焊接热输入进行调控，使材料处于固液比例可控、可调的状态，而调控所需的电阻丝功率通过半固态加工模型数据库来获取。