CN100556604C - 在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法 - Google Patents

Abstract

在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，它涉及搅拌摩擦焊的方法。它解决了现有搅拌头在扎入被焊材料时摩擦阶段“冷态”硬摩擦而导致搅拌头出现严重磨损的问题。本发明的方法为：一、在两个被焊材料的焊接起始位置对接处的上平面上开设两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔；二、将搅拌头针部对准圆柱形盲孔的孔心处，搅拌头旋转并向盲孔内运动；三、搅拌头开始向左端运动实施焊接，当搅拌头运动到被焊材料的左端焊接完成。本发明在两个被焊接材料的焊接起始位置对接处的上表面上开设两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔，因而有效减小了搅拌头的磨损，工艺简便，易于实现。

Description

在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接方法，具体涉及钨基合金搅拌头磨损的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊的基本原理如专利PCT/GB92/02203所述，在焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。从发明至今，搅拌摩擦焊技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接并取得了良好的效果。为扩大该技术的应用范围，近年来正在开展诸如钢、钛等高熔点材料的搅拌摩擦焊接研究，所遇到的主要挑战就是搅拌头磨损严重，使得焊接过程不能顺利完成或影响焊接质量。为解决这个问题，人们已将搅拌头的制作材料作为突破点，并且认为钨基合金是一种高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头的合适制作材料。然而，正如T.J.LIENERT等人于2003年1月在《WELDING JOURNAL》上发表文章所指出的那样，虽然是采用钨基合金制作的搅拌头，但对中碳钢等高熔点材料进行搅拌摩擦焊时，同样存在钨基合金搅拌头磨损严重的问题，而且这种磨损主要表现在钨基合金搅拌头在扎入阶段，而不是稳态焊接阶段。这是因为，钨基合金搅拌头和被焊材料之间的摩擦在扎入阶段属于“冷态”摩擦，被焊接材料处于硬态而导致钨基合金搅拌头出现较为严重的磨损；而在稳态焊接阶段，被焊接材料已被充分加热而软化，钨基合金搅拌头和被焊接材料之间的摩擦属于“热态”摩擦，由于被焊接材料处于软态而使钨基合金搅拌头的磨损小。

发明内容

本发明为了解决现有搅拌头在扎入被焊材料时摩擦阶段属于“冷态”摩擦，被焊接材料处于硬态而导致搅拌头出现严重磨损，使得焊接过程不能顺利完成的问题或影响焊接质量，提供了一种在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法的步骤如下：

步骤一、根据被焊接材料(被焊材料为不锈钢、碳钢、钛合金或镍合金高熔点材料)的厚度和搅拌头的尺寸，在两个被焊接材料的焊接起始位置对接处的上表面上设有两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔，盲孔的直径为搅拌头针根部直径的1.1～1.2倍，盲孔的深度为被焊接材料厚度的0.7～0.8倍；

步骤二、将搅拌头针部对准圆柱形盲孔的孔心处，搅拌头以300～800rpm(转/分钟)的转速旋转并以0.2～1.0mm/min(毫米/分钟)的速度向下方的盲孔内运动；

步骤三、当搅拌头针部接触圆柱形孔的底部时，针端部开始与被焊接材料摩擦而产生热量，为后续焊接提供材料软化所需的部分热量，当搅拌头的肩部与被焊接材料的上表面接触后，经过30～60秒的表面摩擦，使被焊接材料充分软化，搅拌头开始以30～100mm/min(毫米/分钟)的速度向左运动实施焊接，当搅拌头运动到被焊接材料的左端焊接完成。

其中，步骤一至三中搅拌头材料为钨基合金材料。

本发明在两个被焊接材料的焊接起始位置对接处的上表面上开设两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔，使钨基合金搅拌头针部在扎入过程中与被焊接材料之间发生“冷态”摩擦的作用时间大大减少，因而有效减小了钨基合金搅拌头的磨损，采用该方法后，焊接2m高熔点材料后搅拌头尺寸变化很小，而未开孔搅拌头在焊接扎入阶段即出现较为严重磨损。而且本发明工艺简便，易于实现，提高了钨基合金搅拌头的使用寿命，焊接过程能顺利完成和焊接质量好。

附图说明

图1是本发明方法实施的示意图。图中1是搅拌头，1-1是搅拌头针部，1-2是搅拌头肩部，2是被焊接材料，2-1是在被焊接材料上开设的圆柱形盲孔。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式方法的步骤如下：

步骤一、根据被焊接材料(被焊材料为不锈钢、碳钢、钛合金或镍合金高熔点材料)的厚度和搅拌头(搅拌头为钨基合金材料)的尺寸，在两个被焊材料的焊接起始位置对接处的上表面上开有两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔2-1，盲孔2-1的直径为搅拌头针根部直径的1.1～1.2倍，盲孔2-1的深度为被焊接材料厚度的0.7～0.8倍；

步骤二、将搅拌头针部对准圆柱形盲孔2-1的孔心处，钨基合金搅拌头以300～800rpm(转/分钟)的转速旋转并以0.2～1.0mm/min(毫米/分钟)的速度向下方的盲孔内运动；

步骤三、当搅拌头针部接触圆柱形盲孔2-1的底部时，针端部开始与被焊材料产生摩擦而产生热量，为后续焊接提供材料软化所需的部分热量，当搅拌头的肩部与被焊材料的上表面接触后，经过30～60秒的表面摩擦，摩擦产生的热量使局部温度达到900～1200℃，使被焊接材料充分软化，搅拌头开始以30～100mm/min(毫米/分钟)的速度向左运动实施焊接，当搅拌头运动到被焊接材料的左端焊接完成。

具体实施方式二：本实施方式步骤一中采用2mm厚的TC4钛合金材料进行搅拌摩擦焊，用W-Re合金作搅拌头，其肩部直径为10mm，针根部直径为4.6mm，针部长度为1.8mm，盲孔2-1的直径为5.5mm，盲孔2-1的深度为1.4mm；步骤二中的搅拌头以400rpm(转/分钟)的转速并以0.5mm/min(毫米/分钟)的速度向下方的盲孔2-1内运动；步骤三中的焊接速度为50mm/min(毫米/分钟)。其它步骤与具体实施方式一相同。在具体实施方式二的焊接工艺条件下，焊缝成形好，搅拌头尺寸变化很小，亦即搅拌头磨损很小。

具体实施方式三：本实施方式步骤一中采用2.5mm厚的S304不锈钢材料进行搅拌摩擦焊，用W-Re合金作搅拌头，其肩部直径为11mm，针根部直径为5mm，针部长度为2.3mm，盲孔2-1的直径为6mm，盲孔2-1的深度为1.8mm；步骤二中的搅拌头以600rpm(转/分钟)的转速，搅拌头针部以0.5mm/min(毫米/分钟)的速度向圆柱形盲孔2-1内运动；步骤三中的焊接速度为80mm/min(毫米/分钟)。其它步骤与具体实施方式一相同。在本具体实施方式三的焊接工艺条件下，焊缝成形好，搅拌头尺寸变化极小，而搅拌头几乎未产生磨损。

Claims (5)

1、在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤一、根据被焊接材料的厚度和搅拌头的尺寸，在两个被焊接材料(2)的焊接起始位置对接处的上表面上设有两个对称的半圆形侧凹孔，两个半圆形侧凹孔合成一个圆柱形盲孔(2-1)，盲孔(2-1)的直径为搅拌头针根部直径的1.1～1.2倍，盲孔(2-1)的深度为被焊接材料(2)厚度的0.7～0.8倍；

步骤二、将搅拌头针部对准圆柱形盲孔(2-1)的孔心处，搅拌头以300～800rpm的转速旋转并以0.2～1.0mm/min的速度向下方的盲孔(2-1)内运动；

步骤三、当搅拌头针部接触圆柱形盲孔(2-1)的底部时，针端部开始与被焊接材料摩擦而产生热量，为后续焊接提供材料软化所需的部分热量，当搅拌头的肩部与被焊接材料的上表面接触后，经过30～60秒的表面摩擦，使被焊接材料充分软化，搅拌头开始以30～100mm/min的速度向左运动实施焊接，当搅拌头运动到被焊接材料的左端头焊接完成；

其中，步骤一至三中搅拌头材料为钨基合金材料。

2、根据权利要求1所述的在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，其特征在于步骤三中以焊接速度为60mm/min进行焊接。

3、根据权利要求1所述的在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，其特征在于被焊接材料(2)为不锈钢、碳钢、钛合金或镍合金高熔点材料。

4、根据权利要求1所述的在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，其特征在于步骤一中采用2mm厚的TC4钛合金材料进行搅拌摩擦焊，用W-Re合金作搅拌头，其搅拌头肩部直径为10mm，针根部直径为4.6mm，针部长度为1.8mm，盲孔(2-1)的直径为5.5mm，盲孔(2-1)的深度为1.4mm；步骤二中的搅拌头以400rpm的转速并以0.5mm/min速度向下方的盲孔(2-1)内运动；步骤三中的焊接速度为50mm/min。

5、根据权利要求1所述的在搅拌摩擦焊接高熔点材料工艺中防止搅拌头磨损的方法，其特征在于步骤一中采用2.5mm厚的S304不锈钢材料进行搅拌摩擦焊，用W-Re合金作搅拌头，搅拌头肩部直径为11mm，针根部直径为5mm，针部长度为2.3mm，盲孔(2-1)的直径为6mm，盲孔(2-1)的深度为1.8mm；步骤二中的搅拌头以600rpm的转速并以0.5mm/min的速度向下方的圆柱形盲孔(2-1)内运动；步骤三中的焊接速度为80mm/min。

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