CN101829853B - 一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过程中，采用无电刷独特的电流加载方法，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备。本方法和设备具有如下的显著效果：1.可以缩短摩擦焊加热时间、提高焊接生产效率；2.降低摩擦压力、降低主轴功率、降低对摩擦焊机容量的特别要求；3.可以采用电阻热对焊缝进行焊后热处理和焊前预热的作用，并改善接头的组织性能；4.本发明特别适用于高熔点、高硬度异种材料、小尺寸、管或棒等回转体接头的摩擦焊接。

Description

一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，是载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，涉及载流惯性轴向摩擦焊接的电流加载方式，同时还涉及载流惯性摩擦焊的电流加载设备。

背景技术

摩擦焊通常是两个被焊工件在一定的摩擦压力下相互转动摩擦，产生摩擦热，摩擦热使两个被焊工件的接触摩擦面上形成塑化区域，在该塑化区域中，两个材料被塑化、混合，然后冷却以便形成摩擦焊接头。在摩擦焊过程中，摩擦热源来自于金属面上的高速摩擦的塑性变形层，是通过机械能转化为热能，使得焊接区加热达到塑化状态。在一定的条件下，摩擦热与摩擦压力、转速、时间和摩擦面大小有关。而在普通的摩擦焊中，由于其焊接热源为单一的摩擦热，所以在一些特殊的条件下，难以获得足够的摩擦热而实现被焊工件的连接。比如在高熔点、高硬度、小尺寸试样的摩擦焊接时，由于摩擦面小，摩擦面上的线速度小导致产生的摩擦热量不足，难以形成接头良好的焊接接头，或者需要对设备的要求很高，从而限制了摩擦焊的发展与应用。并且由于在普通的摩擦焊过程中，摩擦面上的线速度大小不等，中心处线速度几乎为零，所产生的热量不均匀，塑化区域的厚度不均匀从而影响了焊接接头的性能。

为了解决上述问题，经过人们不断探索，发现可以通过其他外加热源来解决单一摩擦热的摩擦热量不足的问题。现有发明专利“辐射辅助摩擦焊”(申请号：03800638.3)，其主要技术特征是采用一种具有吸收表面和伸向该吸收表面的空腔，而该吸收表面设置成接收来自光源或RF发生器的电磁辐射源的电磁辐射，然后用辐射加热探头把所接收的辐射能量传递给被焊工件上，在辐射能量和摩擦热量的共同作用下完成摩擦焊接的过程。虽然能在一定程度上解决常规摩擦焊热源不足的问题，但是也存在一定的问题，比如吸收表面以及伸向该吸收表面的空腔难以制造加工，并且辐射能量大小难以控制，而且操作比较复杂、工艺繁琐，设备需要防辐射。

现有发明专利“一种感应摩擦焊接方法”(申请号：01135014.8)，其主要技术特征是利用感应线圈加热焊接界面，加热到一定温度后，使两焊接构件作相对摩擦运动，清理组织摩擦焊接的氧化皮等杂质，再对焊件用力轴向顶压，从而形成焊接接头。而发明专利“摩擦焊接的方法和装置”(申请号：200910132652.X)则是在两工件被焊接好之后采用高频感应加热对经过摩擦焊接的工件进行退火处理，来得到性能良好的焊接接头。但是由于所产生的感应热与摩擦热是一前一后模式的，而且只集中于表面，依然无法解决摩擦焊短时间轴心位置焊接缺陷的问题，同时对焊接过程以及对焊缝质量、焊接热输入和焊接热源的利用率难以控制。

现有发明专利“导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号：20071009974.7)，其主要技术特征是在搅拌摩擦焊的同时，使搅拌头和工件与焊机主体、固定工件的夹具和工作台绝缘，在工件焊缝方向上通以电流，电流与其流经的焊缝和摩擦搅拌焊接区的接触电阻产生电阻热，该电阻热与搅拌摩擦热形成复合的搅拌摩擦焊焊接热源，完成对工件的焊接过程。这是一种内生电阻热的模式，能够简单有效地把电阻热用于焊接过程中，实现复合热源式的焊接过程，所以如果把这个原理运用在与之有本质区别的惯性轴向摩擦焊中，也具有同样的优点，有利于解决常规摩擦焊过程中摩擦热量不足的问题；但是该发明专利没有说明关键性的电流加载方式和设备构成。

现有实用新型专利“一种电阻热-搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置”(申请号：200820228426.2)，其主要特征是将电源的两个输出端通过电缆与变压器的输入端相连，变压器的一个输出端通过电缆与垫板连接，垫板用于放置被焊接工件，变压器的另一个输出端通过电缆与电刷连接，电刷与位于搅拌头上端凹槽内的铜环接触，使变压器形成的低压大电流通过搅拌针导入被焊工件上，产生电阻热以及搅拌摩擦热共同作用实现焊接过程；此实用新型专利是在发明专利“导电一搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号：20071009974.7)之后申请的，而且此专利使用电刷，在电刷上很容易产生放电现象，不利于焊接过程和焊接电流的调节控制，使用过程十分不安全，同时造成电接触不良，焊接效果不佳。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，包括载流惯性轴向摩擦焊接的电流加载方式、载流惯性摩擦焊的电流加载设备。通过这个外加电源的电流加载方式，能够简单、实用地把外加电流加载到接头的摩擦界面区域，实现电阻热和摩擦热的共同作用下的载流惯性轴向摩擦复合焊接过程。本发明的另一个目的就是提供一种载流惯性轴向摩擦复合焊接设备，包括电流加载设备。

本发明具体解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过程中，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备。具体是：

让焊接工件与摩擦焊机夹持工件的主轴绝缘，同时让焊机主体与工作台或地面绝缘，采用无电刷的电流加载方法在工件上通以电流，在焊接接头摩擦界面上产生电阻热和摩擦热来共同完成惯性轴向摩擦复合焊接过程；

外加电流设备包括被焊工件一、被焊工件二、卡盘一、卡盘二、主轴一、主轴二、焊机主体、绝缘片、绝缘块、导电环扣、电源、电缆线；

焊接电流加载方法是：将外加电源的正极接在并不旋转的焊机主体上并尽可能靠近被焊工件一和卡盘一的附近区域，将外加电源的负极接在并不旋转的被焊工件二外伸出来的导电片上，被焊工件二的底部设有绝缘片与焊机卡盘二绝缘，焊机主体与地面绝缘通过绝缘；

外加电流流经的路线是：电源正极(一个输出端)→电缆线→导电环扣→焊机主体→主轴一→卡盘一→被焊工件一→被焊工件二→电源负极(另一个输出端)；

焊接工艺参数包括外加电流幅值是接头摩擦界面面积的电流密度平均值为1A/mm²-120A/mm²，外加电流频率为0-500Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速1800rpm-6000rpm，摩擦压力20Mpa-80Mpa，顶锻压力100Mpa-250Mpa，焊接时间0.5s-4min。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，所采用的外加电源是数字式逆变电阻焊焊接电源，或者是数字式逆变弧焊焊接电源，或者是晶体管式弧焊电源，或者是矩形波交流弧焊电源，或者是晶闸管式弧焊电源，或者是其他能够承受短路电流的交直两用电源、或者脉冲的低电压大电流电源；所选用的导电片是具有一定厚度的、有一定强度的、良好导电能力的材料，可以是铜片，也可以是铝片，与电缆线和另一连接端都有良好的电接触，使电流能够准确地通过搅拌区形成正确的导电回路；所选用的绝缘片和绝缘块是具有一定硬度、强度和耐高温的绝缘材料，能够承受焊接过程中高温、有足够的强度并且保证完全绝缘，是陶瓷材料，或干燥木材，或金属+高分子复合材料，或导热金属块+高分子绝缘块的复合体材料。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，卡盘二夹住被焊工件二和主轴二一起都不运动，卡盘一夹住被焊工件一与主轴一一起作旋转运动；惯性储能环块位于主轴一上，靠近卡盘一的位置；导电环扣安装在离主轴较近的焊机主体的位置上，与电缆线相连，通过固定螺栓与焊机主体连接，保证良好的电接触，使电源的电流能够以较短的距离迅速导入被焊工件一和被焊工件二的摩擦界面；导电环扣、导电片、电缆线能够顺利把电流通过电源、焊机主体、主轴一、卡盘一传给焊接接头处，然后通过被焊工件二上的导电片经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，被焊工件一、被焊工件二是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是棒材-棒材结构，或是管材-管材结构，或是棒材-板材结构，或管材-板材结构；特别适合高熔点、高硬度异种材料接头的摩擦焊接；用于载流惯性轴向摩擦焊接，或者载流连续驱动轴向摩擦焊接。

本发明与现有技术相比，具有如下的显著效果：

其一.本发明是一种简单而又非常有效的电流加载方式及其设备，能够实现简单有效地把外加电流加载在被焊工件的焊接区，不需要电刷等外加的特别装置，能够保证焊接接头既旋转又导电，能够保证在焊接摩擦界面产生内生电阻热，能够形成正确和可靠的电流回路，稳定、可靠、有效、简便地实现载流摩擦复合焊接过程，这是载流摩擦焊接技术的关键之一。

其二.所加载的外加电源可以是常规的电阻焊、电弧焊焊接电源，有利于载流摩擦复合焊的应用与推广，并且实现了准确控制外加电流的大小，有利于对焊接热输入的控制和调节。

其三.可以缩短摩擦焊加热时间、提高焊接生产效率；本发明特别适用于高熔点、高硬度异种材料、小尺寸、管或棒等回转体接头的摩擦焊接。

其四.降低摩擦压力、降低主轴功率、降低对摩擦焊机容量的特别要求；可以采用电阻热对焊缝进行焊后热处理和焊前预热的作用，并改善接头的组织性能。

其五.所用设备简单常见，成本较低，易于推广。

附图说明

附图1是本发明焊接方法与设备结构示意图；图2为K418和45CrMo钢载流惯性轴向摩擦复合焊接实际焊接接头的外观形状。

图中1-被焊工件一，2-被焊工件二，3-卡盘一，4-卡盘二，5-主轴一，6-主轴二，7-焊机主体，8-绝缘片，9-绝缘块，10-导电环扣，11-电源，12-电缆线。

具体实施方式

本发明是一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，主要包含一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，这是载流惯性轴向摩擦焊接技术的关键内容之一。在摩擦焊的同时，让工件与主轴、焊机主体与工作台绝缘，在工件上通以电流，该电流与其流经的工件摩擦接触区产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦焊的复合热源，实现工件之间的摩擦焊接过程的方法及设备。

下面结合附图1对本发明作进一步详细说明。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过程中，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备；让焊接工件与摩擦焊机夹持工件的主轴绝缘，同时让焊机主体与工作台或地面绝缘，采用无电刷的电流加载方法在工件上通以电流，在焊接接头摩擦界面上产生电阻热和摩擦热来共同完成惯性轴向摩擦复合焊接过程；

外加电流设备包括被焊工件一1、被焊工件二2、卡盘一3、卡盘二4、主轴一5、主轴二6、焊机主体7、绝缘片8、绝缘块9、导电环扣10、电源11、电缆线12；

焊接电流加载方法是将外加电源11的正极接在并不旋转的焊机主体7上并尽可能靠近被焊工件一1和卡盘一3的附近区域，将外加电源11的负极接在并不旋转的被焊工件二2外伸出来的导电片上，被焊工件二2的底部设有绝缘片8与焊机卡盘二4绝缘，焊机主体7与地面绝缘通过绝缘；

外加电流流经的路线是电源11正极→电缆线12→导电环扣10→焊机主体7→主轴一5→卡盘一3→被焊工件一1→被焊工件二2→电源11负极；

焊接工艺参数包括外加电流幅值是接头摩擦界面面积的电流密度平均值为1A/mm²-120A/mm²，外加电流频率为0-500Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速1800rpm-6000rpm，摩擦压力20Mpa-80Mpa，顶锻压力100Mpa-250Mpa，焊接时间0.5s-4min。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，所采用的外加电源11是数字式逆变电阻焊焊接电源，或者是数字式逆变弧焊焊接电源，或者是晶体管式弧焊电源，或者是矩形波交流弧焊电源，或者是晶闸管式弧焊电源，或者是其他能够承受短路电流的交直两用电源、或者脉冲的低电压大电流电源；所选用的导电片是具有一定厚度的、有一定强度的、良好导电能力的材料，可以是铜片，也可以是铝片，与电缆线和另一连接端都有良好的电接触，使电流能够准确地通过搅拌区形成正确的导电回路；所选用的绝缘片8和绝缘块9是具有一定硬度、强度和耐高温的绝缘材料，能够承受焊接过程中高温、有足够的强度并且保证完全绝缘，是陶瓷材料，或干燥木材，或金属+高分子复合材料，或导热金属块+高分子绝缘块的复合体材料。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，卡盘二4夹住被焊工件二2和主轴二6一起都不运动，卡盘一3夹住被焊工件一1与主轴一5一起作旋转运动；惯性储能环块位于主轴一5上，靠近卡盘一3的位置；导电环扣10安装在离主轴较近的焊机主体7的位置上，与电缆线12相连，通过固定螺栓与焊机主体7连接，保证良好的电接触，使电源11的电流能够以较短的距离迅速导入被焊工件一1和被焊工件二2的摩擦界面；导电环扣10、导电片、电缆线能够顺利把电流通过电源11、焊机主体7、主轴一5、卡盘一3传给焊接接头处，然后通过被焊工件二2上的导电片经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，被焊工件一1、被焊工件二2是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是棒材-棒材结构，或是管材-管材结构，或是棒材-板材结构，或管材-板材结构；特别适合高熔点、高硬度异种材料接头的摩擦焊接；用于载流惯性轴向摩擦焊接，或者载流连续驱动轴向摩擦焊接。

该载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备特别适合高熔点、高硬度异种材料的小尺寸和超大尺寸摩擦焊接头的焊接；这是由于要实现高熔点、高硬度材料的摩擦焊接，需要很大的摩擦热量和顶锻压力，而小尺寸试样时摩擦面上的线速度小、不均匀，而超大尺寸对焊机的容量要求高，很难产生足够多且均匀的摩擦热量，所以不能产生足够多且均匀的塑化区域，难以顺利完成焊接或者所得接头性能不合格。而采用载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备能够提供内生电阻热来补充热源不足的问题，并且在摩擦接触面上的电阻热产生比较均匀，在一定程度能够缓解或者克服摩擦面上摩擦热不均匀的现象，实现良好的接头。而异种材料更为实用是由于在摩擦接触面上晶格畸变大、两侧的晶格种类不同、晶粒大小不同，所以在摩擦接触面上电阻更大，更能够产生更多的电阻热，实现小尺寸或超大尺寸高熔点、高硬度异种材料的轴向摩擦焊接过程。

焊接完成后，可以继续通以一段时间的电流，由于在摩擦焊接头上还是存在着晶格畸变等不均匀的组织，存在着电流通过阻力和电阻，产生电阻热，实现对摩擦焊接头的焊后热处理作用，能够简单有效对实现焊后热处理过程。在焊接开始前，工件接触后，通以一段时间的电流，可以实现焊前预热的功效。

以下是发明人给出的具体的实施例，本发明不限于这些实施例。

具有实施例1：

焊接异种材料分别是K418高温合金钢和45CrMo钢，直径为6mm，长度为200mm的棒状试样，采用载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备进行焊接，采用摩擦主轴转速为3000-5000rpm，摩擦压力为20-40Mpa，顶锻压力为100-180Mpa，采用数字式逆变弧焊接电源作为外加电源，提供的外加电流为200-500A，采用的绝缘片为绝缘橡胶，得到性能良好的焊接接头，如图2所示的外观照片。

具有实施例2：

焊接材料是45CrMo钢，直径为4mm，长度为300mm的棒状试样，采用载流连续驱动轴向摩擦复合焊接方法及其设备进行焊接，采用摩擦主轴转速为1800r/min，摩擦压力20Mpa，顶锻压力为100Mpa，采用数字式逆变电阻焊电源作为外加电源，提供外加电流为280A，电流频率50Hz，占空比为80％，焊接时间为3分钟，采用的绝缘片为绝缘橡胶、绝缘块为干燥木材，得到性能良好的焊接接头。

Claims (4)

1.一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法，在惯性轴向摩擦焊接过程中，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接，其特征在于：让焊接工件与摩擦焊机夹持工件的主轴绝缘，同时让焊机主体与地面绝缘，采用无电刷的电流加载方法在工件上通以电流，在焊接接头摩擦界面上产生电阻热和摩擦热来共同完成惯性轴向摩擦复合焊接过程；

外加电流设备包括被焊工件一(1)、被焊工件二(2)、卡盘一(3)、卡盘二(4)、主轴一(5)、主轴二(6)、焊机主体(7)、绝缘片(8)、绝缘块(9)、导电环扣(10)、电源(11)、电缆线(12)；

焊接电流加载方法是将电源(11)的正极接在并不旋转的焊机主体(7)上并尽可能靠近被焊工件一(1)和卡盘一(3)的附近区域，将电源(11)的负极接在并不旋转的被焊工件二(2)外伸出来的导电片上，被焊工件二(2)的底部设有绝缘片(8)与卡盘二(4)绝缘，焊机主体(7)与地面绝缘；

外加电流流经的路线是电源(11)正极→电缆线(12)→导电环扣(10)→焊机主体(7)→主轴一(5)→卡盘一(3)→被焊工件一(1)→被焊工件二(2)→电源(11)负极；

焊接工艺参数包括外加电流，它是用摩擦焊接头摩擦界面单位面积上的电流密度平均值来表示的，其幅值为1A/mm²-120A/mm²，外加电流频率为0-500Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速1800rpm-6000rpm，摩擦压力20Mpa-80Mpa，顶锻压力100Mpa-250Mpa，焊接时间0.5s-4min。

2.根据权利要求1所述的载流惯性轴向摩擦复合焊接方法，其特征在于：所采用的电源(11)是数字式逆变电阻焊焊接电源，或者是数字式逆变弧焊焊接电源，或者是晶体管式弧焊电源，或者是矩形波交流弧焊电源，或者是晶闸管式弧焊电源，或者是其他能够承受短路电流的交直两用电源、或者脉冲的低电压大电流电源；所选用的导电片是具有一定厚度的、有一定强度的、良好导电能力的材料，采用铜片，或者是铝片，与电缆线和另一连接端都有良好的电接触，使电流能够准确地通过搅拌区形成正确的导电回路；所选用的绝缘片(8)和绝缘块(9)是具有一定硬度、强度和耐高温的绝缘材料，能够承受焊接过程中高温、有足够的强度并且保证完全绝缘，是陶瓷材料，或干燥木材，或金属+高分子复合材料。

3.根据权利要求1所述的载流惯性轴向摩擦复合焊接方法，其特征在于：卡盘二(4)夹住被焊工件二(2)和主轴二(6)一起都不运动，卡盘一(3)夹住被焊工件一(1)与主轴一(5)一起作旋转运动；惯性储能环块位于主轴一(5)上，靠近卡盘一(3)的位置；导电环扣(10)安装在离主轴较近的焊机主体(7)的位置上，与电缆线(12)相连，通过固定螺栓与焊机主体(7)连接，保证良好的电接触，使电源(11)的电流能够以较短的距离迅速导入被焊工件一(1)和被焊工件二(2)的摩擦界面；导电环扣(10)、导电片、电缆线能够顺利把电流通过电源(11)、焊机主体(7)、主轴一(5)、卡盘一(3)传给焊接接头处，然后通过被焊工件二(2)上的导电片经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

4.根据权利要求1-3之一所述的载流惯性轴向摩擦复合焊接方法，其特征在于：被焊工件一(1)、被焊工件二(2)是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是棒材-棒材结构，或是管材-管材结构，或是棒材-板材结构，或管材-板材结构；既能用于载流惯性轴向摩擦焊接，又能用于载流连续驱动轴向摩擦焊接。

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