CN110653507B - 一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法 - Google Patents

一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，首先将待加工板材放置在垫板上并固定，开启电阻丝辅热装置和动态扭矩传感器，然后旋转搅拌针扎入板材表面且穿透板材直至静止轴肩的端面与板材上表面接触，超声换能器的超声波通过与超声变幅杆相连的搅拌针传递到待加工区域细化晶粒，当搅拌加工工具***达到设定下扎深度时，搅拌针停止下扎并继续旋转，然后搅拌加工工具***以设定的速度沿着板材纵向方向从左至右往返梯次向前运动，至加工完毕为止。加工过程中，基于动态扭矩传感器的反馈信号与半固态加工模型数据库对比，对电阻丝辅热装置的功率进行反馈调节。通过调控加工区温度使材料的固液比例处于设定范围内，保证加工区质量的稳定性。

Description

一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦加工工艺方法技术领域，具体涉及一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction stir welding FSW)是英国焊接研究所于1991年提出的一种新型固相焊技术，具有优质、节能、无污染等优点，被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等领域。基于FSW的思想，美国的Mishara博士提出了搅拌摩擦加工(Friction stirprocessing,FSP)，即利用搅拌头所造成的加工区域材料的剧烈塑性变形、混合、破碎，实现材料微观组织的细化、均匀化与致密化，这种加工工艺方法在铝合金和镁合金的细晶超塑性材料制备方面已取得大量成果。但从目前的研究现状来看，除了少部分低熔点合金(如AZ31)可实现材料显微结构的纳米化之外，大部分铝合金和镁合金实现纳米化较困难。因此，许多研究者开始提出一些基于搅拌摩擦加工的工艺方法，比如水浸FSP、多道次FSP等，通过这些方法可进一步细化晶粒尺寸，达到改善材料性能的目的。
专利(申请号201310050662.5)提出了一种基于超声辅助半固态搅拌摩擦加工工艺制备超细晶/纳米晶板材的方法，首先利用高速旋转的搅拌针与板材摩擦产热使搅拌区材料达到半固态，然后利用超声波在半固态材料中传播时的声空化效应增大形核率来达到细化晶粒的效果。然而，专利(申请号201310050662.5)存在如下三方面问题：1)为避免缺陷产生，主搅拌针多采用锥形，此几何外形使沿板厚方向的温度分布存在差异，造成厚度方向晶粒尺度的差异；2)当加工区材料为半固态时，低的摩擦系数使搅拌针难以产生足够的摩擦热，因此仅靠搅拌针产热不可能获得低的固液比例。事实上，只有足够低的固液比例才能获得令人满意的超声空化效果；3)在加工过程中，板厚制造误差、热积累、受热面积改变等会使加工区的温度峰值难以保持一致，影响制备板材加工质量的稳定性；4)为提供足够的热输入需要采用较低的搅拌针移动速度，加工效率低下。
发明内容
本发明提出一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，通过搅拌-超声-电阻热-压力协同作用完成超细晶/纳米晶板材的制备。
一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，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；启动搅拌摩擦焊机的主电机，使搅拌摩擦加工工具***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***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。
所述搅拌加工工具***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***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。
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。
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°。
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。
所述旋转小轴肩的直径d4为主搅拌针最大直径d2的1.1～4倍；静止轴肩的直径d1为3～5倍的板材厚度T。
所述垫块的宽度W2是主搅拌针最大直径d2的1～4倍。
在加工过程中，板材悬空区域的宽度W1和辅助搅拌针的最大直径d3的差比主搅拌针的最大直径d2大4～20mm。
本发明的有益效果为：
一、在半固态加工过程中，旋转搅拌针的剧烈搅拌和超声波在半固态材料中传播时所产生的声空化效应，极大地增加材料形核率，促进晶粒细化，使铝合金、镁合金等低熔点金属板材的超细晶/纳米化成为可能。
二、通过电阻丝辅热装置提高加工区的温度，不仅使加工区的材料更容易达到和保持半固态，还使其固液比例可控，最大化超声细化晶粒的效果，且加工过程中可以采用更高的搅拌针移动速度，提高加工效率；通过电阻丝辅热装置对加工区底部材料提供更高的热输入，可解决仅有搅拌针和旋转小轴肩摩擦产热时存在的沿板厚方向存在温度分布差异的问题。
三、动态扭矩传感器与电阻丝辅热装置相结合的方法，可以使加工区材料的固液比例始终保持在设定范围内，维持加工过程中加工效果的稳定。
四、半固态加工过程中，压力亦是影响金属形核率的重要因素，由于静止轴肩紧随搅拌针同步移动，因此可通过调节其直径尺寸及下压量，来达到最佳的加压效果；加工过程中静止轴肩与板材表面的摩擦可以消除弧纹等结构，不仅使加工后材料的后处理工作简单，还可以减少材料浪费。
五、搅拌针由搅拌针轴、主搅拌针与辅助搅拌针三部分组成，主搅拌针主要位于板材内部，辅助搅拌针位于板材之外。旋转小轴肩具有“封闭”功用，可防止处于半固态的材料外溢；在加工过程中，搅拌针扎穿板材，可实现板材沿厚度方向的晶粒细化；基于背部无支撑技术使待加工金属材料区域下方悬空，可进一步提高超声波的振动作用，有利于细化晶粒。本发明可使加工区晶粒达到超细晶、甚至纳米晶，获得兼备高强度与高延展性的金属板材。
附图说明
图1是制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法的搅拌加工工具***的结构放大图；
图2是制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法的搅拌针处的局部放大图；
图3是制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法的工作过程示意图；
图4是搅拌摩擦加工过程搅拌针与板材的位置关系示意图；
图5是本发明的控制方法流程图；
图中：1.超声换能器，2.超声变幅杆，3.静止轴肩，4.主搅拌针，5.辅助搅拌针，6.搅拌针，7.旋转小轴肩，8.搅拌针轴，9.搅拌加工工具***，10.板材，11.垫板，12.垫块，13.电阻丝辅热装置，14.动态扭矩传感器，15.主电机，16.第一支撑板，17.第二支撑板，18.搅拌摩擦加工设备外壳，19.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1至图4所示：所述搅拌加工工具***9包括搅拌针6、超声换能器1、超声变幅杆2、电阻丝辅热装置13、静止轴肩3及搅拌摩擦加工设备外壳18，所述超声换能器1一端与超声变幅杆2固定安装，超声变幅杆2另一端与搅拌针6固定安装，搅拌针6由连接在一起的搅拌针轴8、主搅拌针4和辅助搅拌针5三部分组成，所述主搅拌针4的内部装有可通过计算机19调节功率的电阻丝辅热装置13，搅拌针轴8一端与超声变幅杆2相连，另一端与主搅拌针4的大径端相连，且主搅拌针4最大直径小于搅拌针轴的直径使搅拌针轴8底部形成旋转小轴肩7，主搅拌针4的小径端与辅助搅拌针5相连，搅拌针轴上同轴套装有静止轴肩3；所述搅拌摩擦加工设备外壳18内壁通过螺栓依次设有第一支撑板16和第二支撑板17，所述第一支撑板16上安装有主电机15，第二支撑板17上安装有动态扭矩传感器14，主电机15通过动态扭矩传感器14与搅拌加工工具***9的超声换能器1连接，扭矩传感器的输出端与计算机19相连，当加工区材料流动性较差时，扭矩值较大；当加工区材料流动性较好时，扭矩值较小，计算机19与电阻丝辅热装置13相连。
主搅拌针4为圆锥台状结构，且外表面为圆锥体状结构，主搅拌针4的最大直径d2为1.3倍板材10厚度T，且锥角小于5°；主搅拌针4最大直径处到辅助搅拌针5端面最高点的距离H1比板材10厚度T大0.3mm，且主搅拌针4的最大直径处到辅助搅拌针5顶点的距离H2与主搅拌针4最大直径处到辅助搅拌针5端面最高点的距离H1之差比垫块12厚度H3小4mm；辅助搅拌针5为圆锥体状结构，辅助搅拌针5最大直径d3为主搅拌针4直径d2的1.6倍，上端两母线的最大夹角β为150°，下端两母线的最大夹角α为100°；垫块12的宽度W2是主搅拌针4最大直径d2的3倍；在加工过程中，板材10的悬空区域的宽度W1与辅助搅拌针5最大直径d3的差比主搅拌针4的最大直径d2大12mm；所述旋转小轴肩7的直径d4为主搅拌针4最大直径d2的3倍；静止轴肩3的直径d1为板材10厚度T的4倍。
一种制备超细晶/纳米晶板材的半固态加工工艺方法，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19，加工参数为：转速ω、焊速ν、下压量h、电阻丝辅热装置13功率p；根据学习理论提出的一种有监督的机器学习分离器，使用支持向量机(SVM)算法，通过计算机***进行扭矩直方图计算，然后初始化SVM参数，调用SVM训练函数将结合算法进行训练，生成半固态搅拌摩擦加工在线检测模型，并建立半固态加工模型数据库；
步骤2、将待加工板材10水平放置在垫板结构上并固定好；其中垫板结构由垫板11与若干等尺寸的垫块12组成，垫块12的数量与实际的超细晶/纳米晶板材的半固态加工的具体情况有关，等尺寸的垫块12放置于垫板11的凹槽内，且与垫板11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，实现在加工过程中实现搅拌针6正下方悬空；为了加工板材10整体的超细晶/纳米化，必须满足如下条件：搅拌针6扎穿加工板材10，因此，为避免因搅拌针6与垫板11之间的接触而造成搅拌针6的损坏，其正下方区域应悬空，即背面无支撑，与常规搅拌摩擦加工不同，本发明在加工过程中待加工板材10的背面无需垫板结构支撑，可加强超声波的振动作用并进一步细化晶粒；
步骤3、接通电源，将实时扭矩传感器14通电，并通过计算机19设定扭矩的范围为50～55N·M；开启电阻丝辅热装置13，并通过计算机19设定功率值为50W；启动搅拌摩擦焊机的主电机15，使搅拌摩擦加工工具***的搅拌针6旋转；
步骤4、搅拌针6以5000转/分的转速扎入板材10表面且穿透板材10，扎入速度为3mm/min，直到静止轴肩3的端面与板材10上表面接触后，再沿垂直板材10表面的方向继续下压0.2mm；
步骤5、超声换能器1的超声波通过与超声变幅杆2相连的搅拌针6直接传递到待加工区域，超声波的参数如下：频率为60K、振幅为45μm，利用超声波在半固态材料中传播时产生的声空化效应来达到细化晶粒的效果；
步骤6、当搅拌加工工具***9达到设定的下扎深度时，搅拌针6停止下扎且继续旋转6min，进行材料预热，然后搅拌针6以200mm/min的速度沿着板材10纵向方向从左至右往返梯次向前运动，直到整个板材10表面加工完毕为止；加工过程中，实时扭矩传感器14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13的功率；当扭矩数值低于设定范围时，减小电阻丝辅热装置13的功率，在加工过程中，基于扭矩传感器的反馈信号通过计算机19对电阻丝辅热装置13功率的实时调整来确保加工区温度的一致性，使加工区材料的固液比例保持在设定范围内；通过闭环反馈不断调节电阻丝辅热装置13的功率，使测得的扭矩值处于设定范围内直至加工完成，以达到稳态加工的效果，如图5所示。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤3中，设定扭矩的范围为45～50N·M，其它步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤3中，电阻丝辅热装置13功率设置为70W，其它步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤4中，所述搅拌针6的旋转速度为7000转/分，其它步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤5中，所述的超声波频率为50K，其他步骤与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤6中，所述的搅拌针6以50mm/min沿着板材10纵向方向从左至右往返梯次向前运动，其它步骤与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，在步骤6中，所述的当搅拌加工工具***9达到设定的下扎深度时，搅拌针6停止下扎且继续旋转8min，其他步骤与实施例1相同。

Claims (8)

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***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***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***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***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。
6.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：所述旋转小轴肩的直径d4为主搅拌针最大直径d2的1.1 ~ 4倍；静止轴肩的直径d1为3~ 5倍的板材厚度T。
7.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：所述垫块的宽度W2是主搅拌针最大直径d2的1 ~ 4倍。
8.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：在加工过程中，板材悬空区域的宽度W1和辅助搅拌针的最大直径d3的差比主搅拌针的最大直径d2大4 ~ 20mm。
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