CN101829854A - 一种载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性径向摩擦焊接过程中，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、小尺寸或超大尺寸的环与棒等回转体接头的摩擦焊接。

Description

一种载流惯性径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，是载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，涉及载流惯性径向摩擦焊接的电流加载方式，同时还涉及载流惯性径向摩擦焊的电流加载设备。

背景技术

径向摩擦焊是一种典型的固相焊接方法，其焊接工艺原理为：把两个被焊工件装配在规定的位置后，焊机液压系统推动圆锥形的工模，通过工模使轴向压力转化为径向压力，使两个被焊工件相互摩擦，在界面产生摩擦热量，使接头加热并产生塑性变形，最后，在顶锻力的作用下，实现接头的径向摩擦接过程。关键工艺参数有主轴转速、轴向压力(摩擦压力)、顶锻压力、摩擦时间等。而在普通径向摩擦焊中，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有效连接。比如在高熔点、高硬度、小尺寸试样的径向摩擦焊接时，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，从而限制了径向摩擦焊的发展与应用。

然而由于径向摩擦焊与轴向摩擦焊相比，运用领域特殊，对径向摩擦焊的研究也比较有限。而在普通轴向摩擦焊方面人们为了解决上述问题，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，再对焊件用力径向顶压，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径向摩擦焊中，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-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径向摩擦复合焊接方法及其设备，包括载流惯性径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径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径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径向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性径向摩擦焊接过程中，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，在焊接接头径向摩擦界面上产生电阻热和摩擦热来共同完成惯性径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、主轴、复位环、焊机主夹具一、焊机主夹具二、导电环扣、绝缘块、电缆线、电源；

焊接电流加载方法是将外加电源的正极接在并不旋转但可移动的焊机主夹具一上，并尽可能靠近被焊工件二和卡爪的附近区域，将外加电源的负极接在不能移动但可旋转的焊机主夹具二的焊机主体上，并尽可能靠近被焊工件一和卡盘的附近区域，焊机主体、焊机主夹具一、焊机主夹具二与地面绝缘；

外加电流流经的路线是电源正极→电缆线→导电环扣→卡爪→被焊工件二→被焊工件一→卡盘→主轴→焊机主夹具二→导电环扣→电缆线→外加电源负极；

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0.8A/mm²-320A/mm²，外加电流频率为0-600Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速2200rpm-6000rpm，摩擦压力50Mpa-80Mpa，顶锻压力180Mpa-260Mpa，焊接时间0.6s-3min。

载流惯性径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。

载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，卡爪夹住被焊工件二和复位环一起都不能作旋转运动，只能进行轴向滑动；卡盘夹住被焊工件一与主轴一起能作旋转运动，不能作轴向滑动；惯性储能环块位于主轴上，靠近卡盘的位置；导电环扣安装在离两个被焊工件都较近的位置上，通过固定螺栓将电缆线连接起来，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径向摩擦界面；电源的电流通过卡爪、被焊工件二传给焊接接头的径向摩擦界面处，然后通过被焊工件一、焊机主夹具二、卡盘、主轴和经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

载流惯性径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-环结构，或是管材-环结构，或是棒材-管材结构，或管材-管材结构，或环-环结构；特别适合高熔点、高硬度异种材料接头的摩擦焊接；用于载流惯性径向摩擦焊接，或者载流连续驱动径向摩擦焊接。

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；附图2是被焊工件夹持位置剖面示意图。

图中：1-被焊工件一，2-被焊工件二，3-卡盘，4-卡爪，5-主轴，6-复位环，7a-焊机主夹具-，7b-焊机主夹具二，8-导电环扣，9-绝缘块，10-电缆线，11-电源。

具体实施方式

本发明是一种载流惯性径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，这是载流惯性径向摩擦焊接技术的关键内容之一。在摩擦焊的同时，让焊机主体与工作台或地面绝缘，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。

载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性径向摩擦焊接过程中，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径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3、主轴5、复位环6、焊机主夹具一7a、焊机主夹具二7b、导电环扣8、绝缘块9、电缆线10、电源11；

焊接电流加载方法是将外加电源11的正极接在并不旋转但可移动的焊机主夹具一7a上，并尽可能靠近被焊工件二2和卡爪4的附近区域，将外加电源11的负极接在不能移动但可旋转的焊机主夹具二7b的焊机主体上，并尽可能靠近被焊工件一1和卡盘3的附近区域，焊机主体、焊机主夹具一7a、焊机主夹具二7b与地面绝缘；

外加电流流经的路线是电源11正极(相对交流电源就是一个输出端)→电缆线10→导电环扣8→卡爪4→被焊工件二2→被焊工件一1→卡盘3→主轴5→焊机主夹具二7b→导电环扣8→电缆线10→外加电源11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0.8A/mm²-320A/mm²，外加电流频率为0-600Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速2200rpm-6000rpm，摩擦压力50Mpa-80Mpa，顶锻压力180Mpa-260Mpa，焊接时间0.6s-3min。

载流惯性径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。

载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，卡爪4夹住被焊工件二2和复位环6一起都不能作旋转运动，只能进行轴向滑动；卡盘3夹住被焊工件一1与主轴5一起能作旋转运动，不能作轴向滑动；惯性储能环块位于主轴5上，靠近卡盘3的位置；导电环扣8安装在离两个被焊工件都较近的位置上，通过固定螺栓将电缆线10连接起来，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的径向摩擦界面；电源11的电流通过卡爪4、被焊工件二2传给焊接接头的径向摩擦界面处，然后通过被焊工件一1、焊机主夹具二7b、卡盘3、主轴5和经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

载流惯性径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-环结构，或是管材-环结构，或是棒材-管材结构，或管材-管材结构，或环-环结构；特别适合高熔点、高硬度异种材料接头的摩擦焊接；用于载流惯性径向摩擦焊接，或者载流连续驱动径向摩擦焊接。

该载流惯性径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。而采用载流惯性径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、高硬度异种材料的径向摩擦焊接过程。

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T3铜环和35CrMnSi钢棒，铜环内径和35CrMnSi钢外径均为30mm，铜环厚度为4mm，铜环宽度为5mm，35CrMnSi钢棒长度为150mm，采用载流惯性径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4200rpm，摩擦压力为60Mpa，顶锻压力为200Mpa，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320A，得到性能良好的焊接接头。

具有实施例2：

焊接异种材料分别是Q235钢环和45CrMo钢棒，Q235钢环内径和45CrMo钢外径均为30mm，Q235钢环厚度为3mm，Q235钢环宽度为4mm，45CrMo钢障长度为200mm，采用载流惯性驱动径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5400r/min，摩擦压力70Mpa，顶锻压力为230Mpa，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500A，电流频率50Hz，占空比为80％，得到性能良好的焊接接头。

Claims (4)

1.一种载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性径向摩察焊接过程中，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，其特征在于：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待焊工件上通以电流，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径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(3)、主轴(5)、复位环(6)、焊机主夹具一(7a)、焊机主夹具二(7b)、导电环扣(8)、绝缘块(9)、电缆线(10)、电源(11)；

焊接电流加载方法是将外加电源(11)的正极接在并不旋转但可移动的焊机主夹具一(7a)上，并尽可能靠近被焊工件二(2)和卡爪(4)的附近区域，将外加电源(11)的负极接在不能移动但可旋转的焊机主夹具二(7b)的焊机主体上，并尽可能靠近被焊工件一(1)和卡盘(3)的附近区域，焊机主体、焊机主夹具一(7a)、焊机主夹具二(7b)与地面绝缘；

外加电流流经的路线是电源(11)正极→电缆线(10)→导电环扫(8)→卡爪(4)→被焊工件二(2)→被焊工件一(1)→卡盘(3)→主轴(5)→焊机主夹具二(7b)→导电环扣(8)→电缆线(10)→外加电源(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0.8A/mm²-320A/mm²，外加电流频率为0-600Hz，占空比为35％-100％，摩擦焊主轴转速2200rpm-6000rpm，摩擦压力50Mpa-80Mpa，顶锻压力180Mpa-260Mpa，焊接时间0.6s-3min。

2.根据权利要求1所述的载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，其特征在于：卡爪(4)夹住被焊工件二(2)和复位环(6)一起都不能作旋转运动，只能进行轴向滑动；卡盘(3)夹住被焊工件一(1)与主轴(5)一起能作旋转运动，不能作轴向滑动；惯性储能环块位于主轴(5)上，靠近卡盘(3)的位置；导电环扣(8)安装在离两个被焊工件都较近的位置上，通过固定螺栓将电缆线(10)连接起来，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)的径向摩擦界面；电源(11)的电流通过卡爪(4)、被焊工件二(2)传给焊接接头的径向摩擦界面处，然后通过被焊工件一(1)、焊机主夹具二(7b)、卡盘(3)、主轴(5)和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所述的载流惯性径向摩擦复合焊接方法及其设备，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-环结构，或是管材-环结构，或是棒材-管材结构，或管材-管材结构，或环-环结构；特别适合高熔点、高硬度异种材料接头的摩擦焊接；用于载流惯性径向摩擦焊接，或者载流连续驱动径向摩擦焊接。

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