一种去除搅拌头金属粘料的方法
阅读说明：本技术 一种去除搅拌头金属粘料的方法 (Method for removing metal binder of stirring head ) 是由 刘喆 赵运强 林志成 刘莉 苗澍 王春桂 董春林 邓军 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及摩擦焊的技术领域,公开了一种去除搅拌头金属粘料的方法,包括搅拌头和金属除料板,所述搅拌头的表面粘附有金属粘料,所述搅拌头的熔点高于所述金属除料板和所述金属粘料的熔点,所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数,将所述搅拌头持续旋转并扎入所述金属除料板,所述金属粘料与所述金属除料板发生软化并混合形成金属混合物,所述搅拌头在所述金属除料板停留3－8秒后,将所述搅拌头抽离所述金属除料板。本发明的去除搅拌头金属粘料的方法,能简单且高效的去除搅拌头金属粘料。(The invention relates to the technical field of friction welding, and discloses a method for removing metal binder of a stirring head, which comprises the stirring head and a metal material removing plate, wherein the surface of the stirring head is adhered with the metal binder, the melting point of the stirring head is higher than the melting points of the metal material removing plate and the metal binder, the friction coefficient between the stirring head and the metal material removing plate and the friction coefficient between the stirring head and the metal binder are both smaller than the friction coefficient between the metal material removing plate and the metal binder, the stirring head is continuously rotated and pricked into the metal material removing plate, the metal binder and the metal material removing plate are softened and mixed to form a metal mixture, and the stirring head is pulled out of the metal material removing plate after the stirring head stays for 3-8 seconds in the metal material removing plate. The method for removing the metal binder of the stirring head can simply and efficiently remove the metal binder of the stirring head.)
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊的技术领域，特别是涉及一种去除搅拌头金属粘料的方法。
背景技术
摩擦焊作为一种新型固相连接技术，以组织性能优异的优势在铝、镁、铜等低熔点金属焊接已得到广泛应用。对于钢、钛等高熔点材料而言，优异的高温强度导致其难以塑化，因而对搅拌头材料提出更高的要求，并限制了搅拌摩擦焊技术在高熔点材料的应用。近些年来，随着钨铼合金、钴合金和聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boronnitride，PCBN)等搅拌头材料制备及工具设计等方面的明显进步，对高熔点金属的搅拌摩擦焊接研究越来越广泛和深入。
事实上，在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头表面通常会粘附一定量的金属粘料。这主要与搅拌头和焊接工件金属之间的相互运动或摩擦有关。焊接过程中，搅拌头与焊接工件金属之间发生相互运动，并在摩擦力作用下发生温度升高和塑性变形，进而在分子力作用下发生焊合。当搅拌头朝前运动时，如果剪切发生在原有接触面上，则不会发生磨损或粘着；若剪切发生在强度较低的焊接工件金属一侧，则强度较高的搅拌工具表面将粘附高熔点材料，并在之后的重复摩擦过程中，金属粘料粘于搅拌工具的表面。因此，搅拌头与焊接工件金属之间的摩擦属于粘着摩擦。
在粘着摩擦过程中，温度的上升一方面会使焊接工件金属的软化程度逐步增加，不仅增加真实接触面积，还会增强搅拌头与焊接工件金属之间的分子吸附作用力，进而增大摩擦系数；另一方面，温度的升高会使高熔点材料表面出现一层硬度较低的塑形金属层，其厚度随温度的升高不断增加，从而导致大量软化的焊接工件金属粘着在搅拌工具表面。因此，温度的升高会使软化层金属的软化程度和厚度增加，导致随旋转转移的粘塑性金属增加。
然而，搅拌头表面粘附有金属粘料，一方面会改变搅拌头与焊接工件之间的摩擦条件，进而影响焊接过程的热输入以及焊接接头的质量；另一方面还会增加粘附搅拌头的维护难度，影响焊接效率。因此，一种简单且行之有效去除搅拌头金属粘料的方法显得尤其重要。
发明内容
本发明的目的是：一种简单且高效的去除搅拌头金属粘料的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种去除搅拌头金属粘料的方法，包括搅拌头和金属除料板，所述搅拌头的表面粘附有金属粘料，所述搅拌头的熔点高于所述金属除料板和所述金属粘料的熔点，所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数，将所述搅拌头持续旋转并扎入所述金属除料板，所述金属粘料与所述金属除料板发生软化并混合形成金属混合物，所述搅拌头在所述金属除料板停留3－8秒后，将所述搅拌头抽离所述金属除料板。
作为优选方案，包括以下步骤：
步骤1：所述搅拌头旋转扎入所述金属除料板，所述金属粘料和所述金属除料板发生软化并产生塑性变形；
步骤2：所述金属粘料脱离所述搅拌头，所述金属粘料与所述金属除料板发生混合形成所述金属混合物，所述金属混合物位于所述搅拌头表面外周；
步骤3：将所述搅拌头从所述金属除料板抽出。
作为优选方案，所述步骤3中，所述金属除料板形成有金属混合物层。
作为优选方案，在所述步骤2中，所述金属除料板的分子与所述金属粘料的分子之间的粘合力大于所述金属粘料与所述搅拌头之间的机械咬合力。
作为优选方案，所述搅拌头包括搅拌针和搅拌头轴肩，所述搅拌头轴肩位于所述搅拌针的上端，所述搅拌头扎入所述金属除料板有设定下压量，所述下压量设置在0.35－0.55mm。
作为优选方案，所述金属除料板上设置有预钻孔，所述预钻孔的直径小于所述搅拌头的搅拌针的最大直径，所述搅拌头扎入所述预钻孔。
作为优选方案，所述搅拌头的转速控制在500－1200rpm。
作为优选方案，所述搅拌头在所述金属除料板上的停留时间控制在3－6秒。
作为优选方案，所述搅拌头的材质为钨铼合金、钴合金或PCBN，所述金属粘料的材质为不锈钢、钛合金或纯钛，所述金属除料板的材质为低碳钢。
作为优选方案，所述搅拌头的材质为钢铁，所述金属粘料的材质为镁合金，所述金属除料板的材质为铝合金。
本发明实施例一种去除搅拌头金属粘料的方法与现有技术相比，其有益效果在于：将黏附在搅拌头表面的金属粘料随搅拌头扎入金属除料板中，使黏附在搅拌头中的金属粘料与除料板之间发生充分反应，利用不同金属之间因分子吸附作用造成的粘合力差异，由于所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数，进而实现去除搅拌头表面的金属粘料。一方面，搅拌头在金属除料板上的停留时间过短，产生热量不足无法使金属粘料与所述金属除料板发生混合形成金属混合物，进而无法实现金属粘料的去除。另一方面，随搅拌头在金属除料板上停留时间的延长，搅拌头与金属除料板之间摩擦产生的热量随之增加，进而导致金属混合物重新黏附于搅拌头表面，因此搅拌头在金属除料板上的停留时间控制在3－8秒，可以获得光洁的搅拌头表面，降低搅拌头在焊接过程中对热输入的影响，有效提高焊接接头质量，降低搅拌头的维护难度，提高焊接效率。本发明去除搅拌头表面粘着金属的方法简单有效，成本低廉，易于推广，有助于节约能源，使搅拌头得以重复利用。
附图说明
图1a是本发明实施例1黏附有金属粘料的搅拌头的侧视角度的结构示意图。
图1b是本发明实施例1黏附有金属粘料的搅拌头的轴侧角度的结构示意图。
图1c是本发明实施例1黏附有金属粘料的搅拌头的俯视角度的结构示意图。
图1d是本发明实施例1去除金属粘料后的搅拌头的侧视角度的结构示意图。
图1e是本发明实施例1去除金属粘料后的搅拌头的轴侧角度的结构示意图。
图1f是本发明实施例1去除金属粘料后的搅拌头的俯视角度的结构示意图。
图2a是本发明实施例1黏附有金属粘料的搅拌头在搅拌摩擦焊时形成的匙孔的示意图。
图2b是本发明实施例1搅拌头在金属除料板中去除金属粘料时形成的匙孔的示意图。
图3a是本发明实施例2黏附有金属粘料的搅拌头的侧视角度的结构示意图。
图3b是本发明实施例2黏附有金属粘料的搅拌头的轴侧角度的结构示意图。
图3c是本发明实施例2黏附有金属粘料的搅拌头的俯视角度的结构示意图。
图3d是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留2秒后的侧视角度的结构示意图。
图3e是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留2秒后的轴侧角度结构示意图。
图3f是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留2秒后的俯视角度的结构示意图。
图3g是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留3秒后的侧视角度的结构示意图。
图3h是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留3秒后的轴侧角度结构示意图。
图3i是本发明实施例2搅拌头在金属除料板停留3秒后的俯视角度的结构示意图。
图4a是本发明实施例2黏附有金属粘料的搅拌头在搅拌摩擦焊时形成的匙孔的示意图。
图4b是本发明实施例2搅拌头在金属除料板中停留2秒去除金属粘料时形成的匙孔的示意图。
图4c是本发明实施例2搅拌头在金属除料板中停留3秒去除金属粘料时形成的匙孔的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1a至图4c所示，包括搅拌头和金属除料板，所述搅拌头的表面粘附有金属粘料，所述搅拌头的熔点高于所述金属除料板和所述金属粘料的熔点，所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数，将所述搅拌头持续旋转并扎入所述金属除料板，所述金属粘料与所述金属除料板发生软化并混合形成金属混合物，所述搅拌头在所述金属除料板停留3－8秒后，将所述搅拌头抽离所述金属除料板。
本发明去除搅拌头金属粘料的方法，将黏附在搅拌头表面的金属粘料随搅拌头扎入金属除料板中，使黏附在搅拌头中的金属粘料与除料板之间充分发生反应，利用不同金属之间因分子吸附作用造成的粘合力差异，由于所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数，进而实现去除搅拌头表面的金属粘料。一方面，搅拌头在金属除料板上的停留时间过短，产生热量不足，无法使金属粘料与所述金属除料板发生混合形成金属混合物，进而无法实现金属粘料的去除。另一方面，随搅拌头在金属除料板上停留时间的过长，搅拌头与金属除料板之间摩擦产生的热量随之增加，进而导致金属混合物重新黏附于搅拌头表面，因此搅拌头在金属除料板上的停留时间控制在3－8秒，可以获得光洁的搅拌头表面，降低搅拌头在焊接过程中对热输入的影响，有效提高焊接接头质量，降低搅拌头的维护难度，提高焊接效率。本发明去除搅拌头表面粘着金属的方法简单有效，成本低廉，易于推广，有助于节约能源，使搅拌头得以重复利用。
进一步的，包括以下步骤：
步骤1：所述搅拌头旋转扎入所述金属除料板，所述金属粘料和所述金属除料板发生软化并产生塑性变形；在搅拌头快速旋转扎入金属除料板的过程中，搅拌头与金属除料板之间发生摩擦并产生大量热量，使金属粘料和金属除料板发生软化并产生塑性变形。
步骤2：所述金属粘料脱离所述搅拌头，所述金属粘料与所述金属除料板发生混合形成所述金属混合物，所述金属混合物位于所述搅拌头表面外周；随着搅拌头的高速旋转，搅拌头与金属除料板之间摩擦产生的热量累积增加，金属除料板与金属粘料之间发生混合，金属除料板分子与金属粘料分子间的粘合力逐渐增大，当金属除料板与所述金属粘料的分子间的粘合力大于所述金属粘料与所述搅拌头之间的机械咬合力，所述金属粘料与所述搅拌头分离。
步骤3：将所述搅拌头从所述金属除料板抽出。如图2b和图4b－图4c所示，在金属除料板中形成金属混合物层，金属粘料与金属除料板中受热软化部分的金属发生混合，形成金属混合物层，搅拌头抽出，如图1d－1f和图3d－图3i所示，得到光洁的搅拌头，在金属除料板表面形成光洁的匙孔。
进一步的，所述搅拌头的熔点至少比所述金属粘料或金属除料板的熔点高1100℃，进而在搅拌头旋转产热过程中，防止搅拌头发生软化或塑性变形，有助于提高金属粘料的去除效率和去除度。
进一步的，所述搅拌头包括搅拌针和搅拌头轴肩，所述搅拌头轴肩位于所述搅拌针的上端，所述搅拌头扎入所述金属除料板有设定下压量，下压量为在搅拌针完全压入金属除料板后继续向金属除料板下压的量。所述下压量设置在0.35－0.55mm。搅拌针设定下压量，以保证搅拌针与搅拌头轴肩的连接处和搅拌针分别与金属除料板完全接触，进而使搅拌头上的金属粘料与金属除料板充分反应，金属粘料在搅拌头上完全掉落，形成表面光洁的搅拌头。
进一步的，在所述搅拌头扎入所述金属除料板前，在所述金属除料板上设置有预钻孔，所述预钻孔的内壁轮廓与所述搅拌头的表面轮廓相适应，所述搅拌头扎入所述预钻孔。在金属除料板上设有预钻孔，搅拌针扎入预钻孔，搅拌针只有侧面与钢板发生相对运动，不容易导致搅拌针断裂。预钻孔的直径小于搅拌针的最大直径。搅拌针与金属除料板垂直接触时，搅拌针会受到较大的载荷，容易导致针断裂。由于搅拌针为锥形，搅拌针的底端朝向预钻孔，在搅拌针扎入预钻孔时，搅拌针的底端不与金属除料板垂直接触，搅拌针的底端在扎入时与预钻孔的底面有一定距离，搅拌针的侧面与预钻孔发生接触并产热，进而保证搅拌针的底端在没有任何产热的情况下不与金属除料板直接接触，防止搅拌针断裂，有效延长搅拌头的寿命，提高搅拌头的回收利用率。随搅拌头的高速旋转与金属除料板摩擦产热后，金属除料板发生软化，进而使搅拌头的搅拌针的底端与金属除料板接触。作为优选的，预钻孔的直径为搅拌针的最大直径的0.5－0.7倍，预钻孔的深度为搅拌针长度的0.6－0.7倍，进而保证搅拌针在扎入预钻孔时侧面与金属除料板接触，但搅拌针的底端距离预钻孔的底面有一定距离，同时搅拌针的底端距离预钻孔底面的距离适中，在搅拌针高速转动产热，金属除料板发生软化后，在短时间内搅拌针将预钻孔填满，进而使搅拌针与金属除料板充分接触，保证金属粘料去除干净，提高金属粘料的去除效率。
进一步的，所述搅拌头的转速控制在500－1200rpm。搅拌头的转速越高，产热效率越高，停留在金属除料板上的时间越短，有效提高金属粘料的去除效率。
进一步的，所述搅拌头在所述金属除料板上的停留时间控制在3－6秒。搅拌头在金属除料板上的停留时间过短，搅拌头与金属除料板之间的摩擦产热不足，金属除料板软化不足，导致金属粘料不能与金属除料板充分接触并混合，进而使金属粘料去除效果不佳。搅拌头与金属除料板之间摩擦产生的热量随之增加，进而导致金属混合物重新黏附于搅拌头表面，搅拌头在金属除料板上停留时间的不能过长。将搅拌头在所述金属除料板上的停留时间控制合适范围，能提高金属粘料的去除效率，同时提高金属粘料的去除度。
进一步的，所述搅拌头的材质为钨铼合金、钴合金或PCBN，所述金属粘料的材质为不锈钢、钛合金或纯钛，所述金属除料板的材质为低碳钢。材质为钨铼合金、钴合金或PCBN的搅拌头适用于高熔点材料的搅拌摩擦焊，该材质的搅拌头造价较高，在对不锈钢、钛合金或纯钛进行焊接时，不锈钢、钛合金或纯钛材质容易黏附于搅拌头的表面，低碳钢材料价格低廉，且低碳钢与钨铼合金、钴合金或PCBN材质的搅拌头的摩擦系数低于低碳钢与不锈钢、钛合金或纯钛之间的摩擦系数，因此通过低碳钢材质的金属除料板去除不锈钢、钛合金或纯钛材质的金属粘料成本低，效率高。
进一步的，所述搅拌头的材质为钢铁，所述金属粘料的材质为镁合金，所述金属除料板的材质为铝合金。搅拌头为钢铁材料，由于搅拌头的造价较低，搅拌头黏附有金属粘料不能正常焊接时则会直接丢弃。通过将钢铁搅拌头在铝合金金属除料板上高速旋转进行去除镁合金金属粘料，即能完成对钢铁搅拌头的回收利用，减少材料浪费，节约能源。
实施例1
采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接两块厚度为6.0mm的不锈钢板，钨铼合金搅拌头的轴肩直径为21mm，搅拌针直径为7.5mm，搅拌针长度为5.7mm。如图1a－图1c所示，搅拌头轴肩和搅拌针处粘附有大量不锈钢材料金属粘料，并导致匙孔呈漏斗形状，如图2a所示。将粘附有不锈钢材料金属粘料的搅拌头旋转插入低碳钢金属除料板中，旋转速度为800rpm，下压量为0.5mm，停留时间为8秒。如图1d－图1f所示，搅拌头周围粘附的材料金属粘料得到明显去除，并形成光洁的匙孔，如图2b所示。优选的，本实施例中的金属除料板选用30#钢板。
实施例2
采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接两块厚度为6.0mm的纯钛厚板，轴肩直径为19mm，搅拌针直径为8mm，长度为5.6mm。如图3a－3c所示，搅拌头轴肩和搅拌针处粘附有大量纯钛金属粘料，并导致匙孔呈漏斗形状，如图4a所示。将粘附有大量纯钛金属粘料的钨铼合金搅拌头旋转插入低碳钢金属除料板中，旋转速度为500rpm，下压量为0.45mm，停留时间为2秒。如图3d－3f所示，搅拌头周围粘附的材料得到明显去除，但轴肩与搅拌针相连处的位置仍粘着一定量的纯钛金属粘料，并形成相对光洁的匙孔，如图4b所示。随后，将下压量调整为0.55mm，停留时间改为3秒，对30#钢板进行第二次搅拌摩擦点焊后发现，搅拌头周围粘着的纯钛基本得到去除，并形成光洁的匙孔如图3g－3i所示和如图4c所示。优选的，本实施例中的金属除料板选用30#钢板。
实施例3
采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接两块厚度为4.0mm的AZ31镁合金板，搅拌头的轴肩直径为21mm，搅拌针直径为4.2mm，长度为3.7mm。，搅拌头轴肩和搅拌针处粘附有大量镁合金金属粘料，将粘附有镁合金金属粘料的钢铁搅拌头旋转插入6061铝合金金属除料板中，旋转速度为1200rpm，下压量为0.35mm，停留时间为4秒。搅拌头周围粘附的材料得到去除。
实施例4
采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接两块厚度为5.0mm的钛合金，钴合金搅拌头的轴肩直径为20mm，搅拌针直径为10mm，搅拌针长度为4.7mm。搅拌头轴肩和搅拌针处粘附有大量钛合金金属粘料。将粘附有钛合金金属粘料的钴合金搅拌头旋转插入30#钢板金属除料板中，旋转速度为800rpm，下压量为0.5mm，停留时间为5秒。钴合金搅拌头周围粘附的材料金属粘料得到去除。
实施例5
采用搅拌摩擦焊接方法以对接方式焊接两块厚度为2.0mm的不锈钢板，PCBN搅拌头的轴肩直径为15mm，搅拌针直径为5.1mm，搅拌针长度为1.7mm。搅拌头轴肩和搅拌针处粘附有大量不锈钢的金属粘料。将粘附有不锈钢金属粘料的PCBN搅拌头旋转插入30#钢板金属除料板中，旋转速度为800rpm，下压量为0.5mm，停留时间为5秒。PCBN搅拌头周围粘附的材料金属粘料得到去除。
综上，本发明实施例提供一种去除搅拌头金属粘料的方法，所述搅拌头的熔点高于所述金属除料板和所述金属粘料的熔点，所述搅拌头与所述金属除料板之间的摩擦系数和所述搅拌头与所述金属粘料之间的摩擦系数均小于所述金属除料板与所述金属粘料之间的摩擦系数，将所述搅拌头持续旋转并扎入所述金属除料板，所述金属粘料与所述金属除料板发生软化并混合形成金属混合物，通过将搅拌头扎入所述金属除料板停留3－8秒后，将所述搅拌头抽离所述金属除料板，即可去除金属粘料，操作方法简单高效，对搅拌头进行有效回收利用，提高金属资源的收回利用率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。