CN100460131C - 阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种采用阵列式射流冲击热沉的搅拌摩擦焊接的方法及装置。该装置包括有控制系统，冷却介质，压缩气体系统和热沉。阵列式射流冲击热沉置于搅拌头的外围，阵列式射流冲击热沉为空腔体，其底面板按阵列式排列微射流冲击孔，孔的上方倒角，上面板排列有与底面板微射流冲击孔相对应的孔，孔内装有螺杆，螺杆的下端为与底面板微射流冲击孔上方倒角相对应的球体。采用该装置，阵列式射流冲击热沉置于搅拌头外围，热沉与搅拌头同步运动；雾化后的冷却介质经射流冲击热沉微射流冲击孔喷射到被焊材料表面。通过该方法可以实现搅拌摩擦焊的低应力无变形焊接，可以提高搅拌摩擦焊接硬化态材料的接头性能，并且可以对搅拌头形成有效的冷却。

Description

阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及一种采用阵列式射流冲击热沉的搅拌摩擦焊接方法及装置。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种创新的固相连接技术，它利用搅拌头与工件之间产生的摩擦热使工件处于热塑性状态，搅拌头高速旋转并向前移动，处于热塑性状态的金属不断地从前端转移到后端，通过轴肩的挤压联合作用，形成致密的焊缝。FSW过程中，搅拌头与工件之间的摩擦热使金属处于热塑性状态，必然产生焊接残余应力。焊接残余应力对搅拌摩擦焊接头疲劳性能和抗腐蚀性能会产生重要影响；焊接变形则会引起搅拌摩擦焊正常工艺流程的中断。目前，在搅拌摩擦焊工艺中控制和消除薄壁构件焊接应力和变形，主要采用焊后矫形和夹具装夹。这些方法有的需要繁杂庞大的设备，有的费力耗时，有的对控制焊接应力和变形的效果有限，并且都受到结构焊缝形状复杂性的影响，应用范围受到限制。

目前一些研究结果表明，焊接硬化状态(形变硬化、时效硬化)有色轻金属时，搅拌摩擦焊接头热影响区的性能与母材差异较大。这是由于搅拌摩擦焊接时摩擦热的作用，引起了焊缝区及近缝区变形金属的动态回复与动态再结晶，特别是热影响区金属的动态回复和晶粒长大，以及位错密度降低、弥散分布第二相的溶解等，使得焊缝及近缝区金属的宏观硬度值低于加工硬化或时效强化金属母材的硬度值，形成软化区，从而使搅拌摩擦焊焊接该类型材料时接头强度低于母材。对搅拌摩擦焊接过程中的温度进行有效控制，以期减小搅拌摩擦焊接接头的热力影响区的软化范围和软化程度，则可以大幅度提高接头性能。

由北京航空工艺研究所申请的《动态控制薄板构件低应力无变形焊接法及其装置》(专利号ZL93101690.8)，公开了一种采用可跟随焊接热源移动的热沉，对仍处于高温的焊缝进行局部冷却。北京航空制造工程研究所申请的《采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置》(申请号200510105425.X)，将该装置用于搅拌摩擦焊，热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴。但是此项发明在热沉系统上的局限限制了它的工程化应用。这是由于搅拌摩擦焊的产热来源于搅拌头与被焊工件之间的摩擦生热，搅拌头的几何尺寸决定了焊接时的最高温度分布范围，采用上述热沉系统仅能实现对焊缝后方区域的冷却，不完全适合于搅拌摩擦焊的特点。

德国EADS有限公司Gerhard Scheglmann申请了《同时进行冷却的摩擦搅动焊接方法及装置》(中国申请号：01812640.5)，该发明提供了一种摩擦搅动焊接的方法，冷却液体由一个与搅拌头同时运动的冷却环限制地喷射在焊接后方区域中，通过该方法可以焊接具有对氧高亲和性的合金和/或产生高塑化能量并可很好的控制焊接部位的热量排出。该冷却装置采用了冷却环，冷却效果相对较差，且不能对搅拌摩擦焊的产热进行定量的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能对焊缝全面冷却而且冷却效果好的阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置。本发明的技术解决方案是，装置包括有控制系统，冷却介质，压缩气体系统和热沉，压缩气体系统分别与雾化发生器气体喷嘴相接，冷却介质通过管路进入雾化发生器；雾化发生器出口与阵列式射流冲击热沉的入口端相连；阵列式射流冲击热沉置于搅拌头的外围，阵列式射流冲击热沉为空腔体，其底面板按阵列式排列微射流冲击孔，孔的上方倒角，上面板排列有与底面板微射流冲击孔相对应的孔，孔内装有螺杆，螺杆的下端为与底面板微射流冲击孔上方倒角相对应的球体。焊接方法是将阵列式射流冲击热沉置于搅拌头外围，热沉与搅拌头之间的间距离为0～5mm，热沉下端面与被焊材料表面之间的距离为3～15mm，热沉与搅拌头同步运动；搅拌头旋转插入被焊材料至轴肩完全接触被焊材料表面时，开启控制阀门将压缩气体以0.6～0.8MPa的压力、冷却介质以10～35ml/min的流量通入雾化发生器，雾化后的冷却介质经射流冲击热沉微射流冲击孔喷射到被焊材料表面。调整螺杆的高度，开启或关闭微射流冲击孔。

本发明采用一种新型阵列式射流冲击热沉，热沉可以根据需要制作成不同的形状，结合不同的微射流冲击孔的孔径大小和孔径深度以及分布状态，形成不同的换热系数。

本发明提出的阵列式射流冲击热沉基于射流冲击换热理论，射流冲击冷却时，流体法向冲击传热表面，形成很薄的速度和温度边界层，因而具有很高的传热效率。同时，设置不同的微射流孔孔径和分布密度，可以形成不同的冷却效果。热沉还可以根据需要制作成不同的形状，结合不同的微射流冲击孔的分布形式，形成搅拌摩擦焊接区域局部可控的温度场和热弹塑性应力应变场，从而达到搅拌摩擦焊低应力无变形的焊接效果。本发明充分利用了微射流冲击换热系数极高这一特点，在较小的冷却介质流量下获得需要的冷却的强度，从而彻底消除冷却介质的引入对设备及工作环境等造成的影响。本发明的冷却介质可根据焊接条件选取水、液氮以及其它公知的冷却液。

公知的搅拌摩擦焊接由于摩擦热的作用，使得焊缝及近缝区金属的宏观硬度值低于加工硬化或时效强化金属母材的硬度值，形成软化区。这是采用搅拌摩擦焊接硬化状态材料时，接头性能降低的主要原因。根据本发明的搅拌摩擦焊接方法可以很好的控制热影响区的最高温度，减小在热影响区出现的强度下降。另外，公知的搅拌摩擦焊接方法由于搅拌头与被焊材料的摩擦和粘结作用，使搅拌头直接作用下的金属发生高速剪切塑性变形，晶粒变形和破碎，形成细晶组织区；但是在搅拌头以外的热影响区，由于摩擦热的作用促使该区域产生一定程度的晶粒长大现象，采用本发明的搅拌摩擦焊接方法可以强制冷却搅拌摩擦焊细晶区以外的高温金属，在保证高应变速率的前提下降低变形区的温度，从而限制晶粒长大。因此，采用本发明的搅拌摩擦焊接方法可以用于制备超细晶材料。

采用本发明进行搅拌摩擦焊接，搅拌头无氧化变色，可以实现对搅拌头的冷却，从而延长搅拌头使用寿命，解决搅拌摩擦焊接高熔点材料时的搅拌头冷却问题。其潜在的应用价值是将采用该发明的搅拌摩擦焊接方法用于如钢铁、钛合金等高熔点材料的焊接。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明阵列式射流冲击热沉结构示意图；

图3为本发明单个微射流冲击孔的示意图；

图4为本发明不同形状热沉的示意图；

图5采用本发明后薄壁铝合金搅拌摩擦焊残余塑性应变的对比；

图6采用本发明后薄壁铝合金搅拌摩擦焊纵向残余应力的对比；

图7采用本发明控制铝合金大型带筋壁板搅拌摩擦焊焊缝横向收缩的效果。

具体实施方式

装置如图1所示，包括有控制系统1，冷却介质2，压缩气体系统3。冷却介质2与压缩气体系统3与雾化发生器7和气体喷嘴10相接，冷却介质2通过管路进入雾化发生器7，雾化发生器7包括一个冷却介质入口6，一个用于引入高压气流的进气口5，一个从液体入口延伸到液体射出口的液流通道以及一个曲线形气流通道，该通道从进气口延伸到靠近雾化液体射出口8的位置，并与阵列式射流冲击热沉18的入口端17相连。阵列式射流冲击热沉18分为三个部分并置于搅拌头16的外围，，其中I为搅拌头后方区域，II为FSW焊接后退侧，III为FSW焊接前进侧。阵列式射流冲击热沉18为空腔体，其底面板22上按阵列式排列微射流冲击孔21，孔的上方倒角23，上面板25排列有与底面板微射流冲击孔21相对应的孔27，孔27内装有螺杆26，螺杆26的下端为与底面板微射流冲击孔21上方倒角23相对应的球体24，根据实际焊接需求通过控制螺杆26的高度开启或关闭相应区域的部分或全部微射流冲击孔21，从而形成不同的冷却效果。

焊接时将阵列式射流冲击热沉18置于搅拌头16外围，阵列式射流冲击热沉18与搅拌头16之间的间距离保持在0～5mm，阵列式射流冲击热沉18下端面22与被焊材料11表面之间的距离为3～15mm；被焊材料11置于垫板12之上，并用压紧装置13将被焊材料11压紧；当搅拌头16在轴向压力15作用下按照旋转方向19旋转插入被焊材料11，至搅拌头轴肩20完全接触被焊材料11时，开启控制阀门9，将压缩气体以0.6～0.8MPar的压力、冷却介质以15～25ml/min的流量通入雾化发生器7，雾化后的冷却介质经阵列式射流冲击热沉18的微射流冲击孔21的喷射到被焊材料11表面；搅拌头16在维持旋转方向19的情况下沿焊接方向14运动，阵列式射流冲击热沉18与搅拌头16同步运动。通过控制系统1及流量计4，可以形成不同的气/液混合比例以及对阵列式射流冲击热沉18冷却强度的实时调节。充分雾化后的冷却介质沿管路进入阵列式射流冲击热沉18，压缩气体喷嘴10防止多余的冷却介质侵入到未焊合的焊缝中，同时，可以形成一定程度的气体冷却效果，与前端开口的阵列式射流冲击热沉18共同作用，将搅拌摩擦焊接热循环拘束在可控的范围内。阵列式射流冲击热沉18还可以根据需要制作成不同的形状，结合不同的微射流冲击孔的分布形式和分布密度，形成对FSW焊接区域局部可控的温度场和热弹塑性应力应变场，从而达到FSW低应力无变形的焊接效果。阵列式射流冲击热沉18底面板上可以按阵列式排列微射流孔21，也可以将孔改为喷嘴。

本发明的冷却介质可根据焊接材料的不同选取冷却水、液氮或者其它的公知的冷却液。

实施例1

采用该发明装置和常规搅拌摩擦焊焊接3mm厚5A06铝合金板，搅拌头主轴转速1500rpm，焊接速度150mm/min，冷却介质选用冷却水，流量为15ml/min，压缩空气压力0.8MPa，热沉18选用图2所示结构形式。图5所示为常规FSW和采用阵列式射流冲击热沉FSW纵向残余塑性应变的对比，3mm厚5A06铝合金常规FSW焊后近缝区纵向残余塑性应变

最大值为-1.57×10^-3，而采用阵列式射流冲击热沉的FSW纵向残余塑性应变降低60％以上；图6为常规FSW和采用阵列式射流冲击热沉FSW纵向残余应力的对比，常规FSW焊接残余拉应力峰值σ_max可达137MPa，而采用阵列式射流冲击热沉的FSW残余拉应力降低了60％以上，远离焊缝及近缝区的压应力值也大幅下降，低于工件的临界失稳应力，不再发生压屈失稳变形。

实施例2

铝合金大型带筋壁板FSW焊缝最长可达12m，需要将上部宽度为8mm的6082-T6筋条与5083-H321板材焊接在一起。FSW焊接热循环导致板材发生不规则的收缩变形，影响焊接装配。采用该发明装置进行搅拌摩擦焊接，参数选择为搅拌头主轴转速1200rpm，焊接速度700mm/min，冷却介质为冷却水，流量为20ml/min，压缩空气压力为0.7MPa，采用图4(b)所示的冷却热沉，热沉18的底面板上按阵列方式排列微射流喷嘴。图7为铝合金大型带筋壁板摸拟件FSW焊后横向收缩情况，可以发现，采用阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊技术后，试件平均横向收缩量为常规FSW焊后横向收缩量的43.63％。FSW焊接横向收缩量得到有效控制。这是由于采用DC-LSND焊接方法，由于热沉的急冷作用，不仅焊缝两侧金属因升温导致的膨胀得到限制，而且可以在焊缝处形成温差拉伸效应，从而减小由于焊接热循环导致的焊缝及近缝区缩短的不协调应变，工件最终的横向收缩减小。

Claims (4)

1.一种采用阵列式射流冲击热沉的搅拌摩擦焊接的装置，包括有控制系统[1]，冷却介质[2]，压缩气体系统[3]和阵列式射流冲击热沉[18]，其特征在于，压缩气体系统[3]分别与雾化发生器[7]和气体喷嘴[10]相接，冷却介质[2]通过管路进入雾化发生器[7]；雾化发生器[7]出口[8]与阵列式射流冲击热沉[18]的入口端[17]相连；阵列式射流冲击热沉[18]置于搅拌头[16]的外围，阵列式射流冲击热沉[18]为空腔体，其底面板[22]按阵列式排列微射流冲击孔[21]或喷嘴，微射流冲击孔[21]的上方倒角[23]，上面板[25]排列有与底面板[22]微射流冲击孔[21]相对应的孔[27]，且该孔[27]内装有螺杆[26]，螺杆[26]的下端为与底面板[22]微射流冲击孔[21]上方倒角[23]相对应的球体[24]。

2.根据权利要求1所述的采用阵列式射流冲击热沉的搅拌摩擦焊接的装置，其特征是，调整螺杆的高度，开启或关闭微射流冲击孔。

3.根据权利要求1所述的采用阵列式射流冲击热沉的搅拌摩擦焊接的装置，其特征是，阵列式射流冲击热沉[18]的形状是半圆形或三角形或圆形或矩形。

4.一种采用权利要求1所述装置的搅拌摩擦焊接方法，其特征是，阵列式射流冲击热沉[18]置于搅拌头[16]外围，阵列式射流冲击热沉与搅拌头之间的距离为0～5mm，阵列式射流冲击热沉下端面与被焊材料[11]表面之间的距离为3～15mm，阵列式射流冲击热沉与搅拌头同步运动；搅拌头旋转插入被焊材料[11]至轴肩[20]完全接触被焊材料表面时，开启控制阀门[9]将压缩气体以0.5～0.8MPa的压力、冷却介质以10～35ml/min的流量通入雾化发生器[7]，雾化后的冷却介质经射流冲击热沉[18]微射流冲击孔[21]喷射到被焊材料[11]表面。

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