[发明专利]一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置

说明书

一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法及装置，其特征是所述的方法包括以下步骤：1)在待连接板材的连接面上预制纳米晶的碳化钛薄膜。2）将有碳化钛薄膜的连接面对接装夹固定在绝缘垫板上，同时将电动导轨固定在绝缘垫板上，使导电块能与待连接板材接触。3）将脉冲电源的两个电极分别连接到两个导电块上。搅拌摩擦连接时，启动控制器，通上高密度脉冲电流，该电流流经待焊接板材和连接区的碳化钛薄膜，产生大量焦耳热。本发明通过焦耳热效应与磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应耦合共同促进连接区金属的位错运动，降低连接区的流动应力，再结合搅拌摩擦连接加工，能够获得高质量的连接焊缝，实现对高熔点合金的搅拌摩擦连接。

技术领域

本发明涉及金属材料连接技术，尤其是一种高熔点金属材料搅拌摩擦连接技术，具体地说是一种基于电致塑性效应的搅拌摩擦连接方法和装置。

背景技术

搅拌摩擦连接是一项新颖和环保的固相连接技术，它是通过搅拌工具（搅拌头）以一定的旋转速度下压到待连接处，搅拌工具的轴肩和搅拌针与待连接材料发生摩擦产热，使包裹在搅拌针周围的材料温度迅速上升，达到热塑性状态，在搅拌工具自身旋转运动的同时，搅拌工具还以一定的连接速度沿着焊缝向前移动，搅拌针周围的热塑性材料在搅拌针的旋转驱动下向搅拌针的后方流动，在轴肩的压力作用下形成可靠的焊缝。由于搅拌摩擦连接是固相连接，连接时没有达到材料的熔点，可以避免熔焊带来的孔洞和热裂纹等焊接缺陷。并且，焊缝的表面质量好，接头的力学性能优越，制造过程绿色环保。正因为这些明显的优越性，搅拌摩擦连接技术已经应用于航空航天、汽车产业、轨道交通等领域，尤其是在铝合金、镁合金等低熔点的有色金属方面，给工程应用带来了巨大的经济效益和社会效益。但是在普通碳钢、不锈钢、钛合金等高熔点金属的搅拌摩擦连接应用方面还存在一些问题，这些金属熔点高，硬度大，仅仅靠搅拌工具的热输入很难保证材料得到较好的塑性软化，容易导致搅拌工具的严重磨损和失效，并且容易存在焊接缺陷；通过改变工艺参数来提高热输入量，对搅拌工具和搅拌设备提出了很高的要求，这严重制约了搅拌摩擦连接技术在高熔点合金材料连接上的应用。

电致塑性效应是指材料(包括各种金属材料、陶瓷材料、超导材料、粉末冶金制品等) 在运动电子(电流或电场) 作用下，引发材料变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象。电致塑性效应是焦耳热效应、磁压缩效应、趋肤效应和纯电塑性效应等多种物理效应共同作用的结果。流经材料变形截面的高密度运动电子与材料内部原子发生碰撞，增加了原子动能，改变金属中位错的激活能，加快位错的运动速度，有利于打开位错间的缠结和克服其滑移面上的障碍，降低材料的流动应力，促进动态再结晶，抑制孔洞的产生，显著提高其塑性变形能力。

从公开的文献和资料检索来看，在美国专利（US8164021B1）中就公布了一种电辅助搅拌摩擦焊技术，它通过将电源的一端接在搅拌头上，另一端接在待焊接板材上，形成电源-搅拌头-待焊接板材的闭合回路，利用搅拌针和带焊接板材间的电流产热来辅助搅拌摩擦焊接。该种方法搅拌针的结构设计复杂，流经在搅拌头和待焊接板材之间的电流转化成的焦耳热很大一部分消耗在搅拌头本体上，对待焊接板材的辅助加热效果有限。美国专利（US9981338B2）也公布了一种电致塑性效应的复合搅拌摩擦焊接方法，该方法是通过一对传导轮作为两个电极将电流传至待焊接材料的表面，传导轮安装在主轴支架上，可以与搅拌头一起移动。由于在电流的闭合回路中，电流会选择具有最低电阻的最短路径，也就是说，该种方法电流会选择流经待焊接材料的表面，这样电致塑性效应对焊缝的中下部作用较小，容易在接头底部产生缺陷。中国专利（申请号：201810544099 .X）公开了一种电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法，通过脉冲电流和强磁场来辅助高熔点合金的搅拌摩擦焊接，脉冲电流的加载方式是通过导电刷与工件保持紧密接触，且导电刷跟随搅拌头同步移动，这种电流的加载方式与美国专利（US9981338B2）的相似，电致塑性效应对焊缝的中下部影响较小，容易在接头底部出现缺陷，且导电刷跟随搅拌头同步移动，不能单独移动，大大限制了导电刷的使用范围。

发明内容