技术领域
[0001] 本发明涉及金属材料表面工程技术领域，具体为一种铜薄板表面微观组织调控方法及其装置。
相关背景技术
[0002] 目前在金属材料表面，利用塑性变形的方式，制备一定厚度且表层为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度纳米结构的方法有表面机械研磨、表面机械碾磨、高能喷丸等。表面梯度纳米结构可显著降低材料表面的渗氮温度，提高材料表面的硬度、耐磨性和疲劳性等性能，从而延长材料的使用寿命。然而，根据目前报道的这些技术中，没有即能调控金属表面晶粒尺寸，还能调控晶体取向的技术。
[0003] 基于我们前期的超声波焊接技术研究，发现如果想提高超声波焊接铜薄板接头的有效厚度和焊合率，在铜薄板表面制备出{111}<110>晶体取向且晶粒尺寸呈梯度分布的微观组织结构是一种有效的方法。基于此，开发一种铜薄板表面微观组织调控方法及其所用装置是很有必要的，对于新能源汽车产业发展具有重要意义。
具体实施方式
[0018] 下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0019] 本方案为一种铜薄板表面微观组织调控方法，步骤如下：将铜薄板固定于可移动的工作台上，采用可沿Y方向运动的工具头对铜薄板进行多道次变振幅变压力高频微锻；同时，在上述高频微锻过程中，在每个道次内，工具头输出恒定的振幅以及恒定的压力，同时工作台带动铜薄板沿X方向单向运动，此时工具头对铜薄板产生切向挤压作用，在高频微锻和切向挤压共同作用下，可得到表面呈{111}<110>晶体取向且晶粒尺寸呈梯度分布的微观组织结构。
[0020] 一种铜薄板表面微观组织调控方法所使用的装置，包括可水平移动的工作台6，铜薄板5固定于工作台6上并随同工作台6同步移动，位于铜薄板5的上方从上至下依次设有压力施加装置1、压力传感器2、换能器3以及工具头4，工具头4沿Y方向的运动由可上下运动的行走机构调节（图4中未画出），该方向运动位移依据所施加力的大小进行，工具头4的输出频率是由换能器3产生和调整，工具头4的输出压力是由压力传感器2控制的，并将信号反馈给压力施加装置1，以此控制压力的大小。
[0021] 需要说明的是：本文中，设定X方向为水平方向，即工作台带动铜薄板5的移动方向，Y方向为垂直方向，即行走机构带动工具头的移动方向。
[0022] 所述的调控方法中，所述变振幅是指工具头在不同的道次中的对铜薄板施加的振幅是实时调节变化的，并呈现逐渐增大的趋势，振幅为10～65 μm，振幅的振动方向垂直于铜薄板；所述变压力是指工具头在不同的道次中对铜薄板施加的压力是实时调节变化的，并呈现逐渐增大的趋势，压力为0.2～0.8 MPa。
[0023] 所述的调控方法中，所述高频微锻是指工具头在施加的振幅和压力作用下对铜薄板表面的高频率微冲击，高频的频率为20～40 kHz；所述多道次的数量一般小于20次。
[0024] 所述的调控方法中，在高频微锻和切向挤压的前几个道次，工具头的振幅为10～20 μm，压力为0.2～0.25 MPa，对铜薄板进行预热和超声软化处理，待铜薄板温度大于80 ℃时，工具头的振幅调整为20～65 μm，压力调整为0.25～0.8MPa，同时，压力的增大使工具头与加热和超声软化后的铜薄板表面产生大的摩擦力，加速晶体取向的转动，经过多次单向运动的诱导，表面晶粒取向往<110>方向转动。
[0025] 所述的调控方法中，工作台带动铜薄板从一侧初始位置向另一侧移动至设定位置，上述过程为一个道次，在每一个道次内，工具头以恒定的振幅以及恒定的压力对铜薄板进行高频微锻和切向挤压；该道次结束时，工具头抬起，工作台带动铜薄板自动运行至初始位置；然后根据设置的参数，自动调整压力和振幅，工具头落下与铜薄板表面接触，进行下一道次的高频微锻和切向挤压，直至所有设置的道次结束为止。
[0026] 所述的调控方法中，所述工作台沿X方向往复运动，且速度可实时调节，速度为2～7 mm/s，在工具头的压力作用下，工具头与移动中的铜薄板表面之间产生一定的摩擦力，该摩擦力会对铜薄板表面产生一定的切向挤压力。
[0027] 所述的调控方法中，所述工具头的表面为圆弧形，宽度为15‑30 mm，其材质为耐磨合金钢；所述铜薄板是指纯铜或者铜合金，厚度为0.5～3.5 mm。
[0028] 所述的调控方法中，铜薄板经过多道次的高频微锻和切向挤压后，采用浓度为3‑5%的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗3‑5 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。
[0029] 所述的调控方法中，晶粒尺寸呈梯度分布是指表面的晶粒尺寸细化明显，然后沿厚度方向，晶粒尺寸逐渐增大。
[0030] 实施例1、一种铜薄板表面微观组织调控方法，取厚度为1.0 mm、长度为120mm、宽度为25 mm的铜薄板，将其固定在工作台上，采用的工具头宽度为20 mm，然后设置参数：铜薄板从右往左的行程为20 mm，工具头振动的频率为20 kHz。第1‑3道次施加的振幅为15 μm，压力为
0.25 MPa，工作台带动铜薄板的行走速度为3 mm/s；第4‑5道施加的振幅为35 μm，压力为
0.45 MPa，行走速度为4 mm/s；第6‑9道施加的振幅为55 μm，压力为0.65 MPa，行走速度为
5.5 mm/s，所有要施加的道次结束后，设备停止运动，取下铜薄板，采用4 %的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗4 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。可以得到表面晶粒尺寸为0.8 μm（见图1），厚度为34μm，由表及里晶粒尺寸从0.8 μm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸，变形层厚度为87 μm，表面形变层一区（见图2）呈{111}<110>晶体取向。
[0031] 在发明实施例1中，经过多道次变振幅变压力高频微锻和切向挤压处理后，可以看到，可以得到表面晶粒尺寸为0.8 μm（见图1），厚度为34 μm，由表及里晶粒尺寸从0.8 μm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸为12 μm，变形层厚度为87 μm。从图2可以看出，表面形变层一区（见图2）呈{111}<110>晶体取向，与原始母材的晶体取向相比，发生了明显的变化。
[0032] 实施例2、一种铜薄板表面微观组织调控方法，取厚度为0.5 mm、长度为120mm、宽度为25 mm的铜薄板，将其固定在工作台上，采用的工具头宽度为15mm，然后设置参数：铜薄板从左往右的行程为30 mm，工具头振动的频率为30 kHz。第1‑3道次施加的振幅为10 μm，压力为0.2 MPa，行走速度为2 mm/s；第4‑5道施加的振幅为30 μm，压力为0.5 MPa，行走速度为3 mm/s；
第6‑9道施加的振幅为50 μm，压力为0.6 MPa，行走速度为5 mm/s所有要施加的道次结束后，设备停止运动，取下铜薄板，采用3%的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗3 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。
[0033] 通过试验验证：依据本实施例所限定的方法可以得到表面晶粒尺寸为0.9 μm，厚度为30μm，由表及里晶粒尺寸从0.9 μm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸，变形层厚度为60 μm，表面形变层呈{111}<110>晶体取向。
[0034] 实施例3、一种铜薄板表面微观组织调控方法，取厚度为3.5 mm、长度为120mm、宽度为25 mm的铜薄板，将其固定在工作台上，采用的工具头宽度为30 mm，然后设置参数：铜薄板从左往右的行程为30 mm，工具头振动的频率为40 kHz。第1‑4道次施加的振幅为20 μm，压力为
0.25 MPa，行走速度为2.2 mm/s；第5‑6道施加的振幅为40 μm，压力为0.55 MPa，行走速度为3.3 mm/s；第7‑10道施加的振幅为50 μm，压力为0.65 MPa，行走速度为5.5 mm/s；第11‑
13道施加的振幅为65 μm，压力为0.8 MPa，行走速度为7 mm/s，所有要施加的道次结束后，设备停止运动，取下铜薄板，采用5%的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗5 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。
[0035] 通过试验验证：依据本实施例所限定的方法可以得到表面晶粒尺寸为0.2 μm，厚度为56μm，由表及里晶粒尺寸从0.2 μm梯度过渡为芯部原始母材晶粒尺寸，变形层厚度为135 μm，表面形变层呈{111}<110>晶体取向。
[0036] 对比例4、本对比例的铜薄板表面微观组织调控方法与实施例1的区别在于：将其中的多道次变振幅调整为多道次恒定振幅，具体为将工具头的振幅调整为55 μm，具体为：
取厚度为1.0 mm、长度为120mm、宽度为25 mm的铜薄板，采用的工具头宽度为20 mm，然后设置参数：铜薄板从右往左的行程为20 mm，工具头振动的频率为20 kHz。第1‑3道次施加的振幅为55 μm，压力为0.25 MPa，行走速度为3 mm/s；第4‑5道施加的振幅为55 μm，压力为0.45 MPa，行走速度为4 mm/s；第6‑9道施加的振幅为55 μm，压力为0.65 MPa，行走速度为5.5 mm/s，所有要施加的道次结束后，设备停止运动，取下铜薄板，采用4 %的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗4 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。此时，铜薄板表面产生明显的裂纹（见图3），影响使用性能。
[0037] 对比例5、本对比例的铜薄板表面微观组织调控方法与实施例1的区别在于：将其中的多道次变压力调整为多道次恒定压力，具体为将工具头的压力调整为0.6 MPa，具体为：
取厚度为1.0 mm、长度为120mm、宽度为25 mm的铜薄板采用的工具头宽度为20 mm，然后设置参数：铜薄板从右往左的行程为20 mm，工具头振动的频率为20 kHz。第1‑3道次施加的振幅为15 μm，压力为0.6 MPa，行走速度为3 mm/s；第4‑5道施加的振幅为35 μm，压力为0.6 MPa，行走速度为4 mm/s；第6‑9道施加的振幅为55 μm，压力为0.6 MPa，行走速度为5.5 mm/s，所有要施加的道次结束后，设备停止运动，取下铜薄板，采用4 %的稀盐酸对铜薄板表面进行清洗4 s，除去氧化物，并用酒精清洗，晾干。此时，铜薄板表面产生明显的裂纹（见图5），影响使用性能。
[0038] 上述实施例未详述部分为现有技术。
[0039] 应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
