CN101850475B - 一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备 - Google Patents

Abstract

一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方法及其设备，在载流-搅拌摩擦焊接过程中，采用独特的电流加载方法，在工件的搅拌摩擦焊接区通入电流而产生内生电阻热和搅拌摩擦热，共同对工件接头加热、摩擦塑变而实现焊接的电流加载方法及设备。所述的焊接设备由外轴套肩(1)、搅拌头(2)、搅拌针(3)、被焊工件、导电片(6)、绝缘片(7)、工作台(8)、导电环扣(9)、电缆线(10)和电源(11)组成。本方法和设备具有如下的显著效果：1.简单有效地把外加电流加载在被焊接区上，实现载流搅拌摩擦焊接。2.使搅拌摩擦焊可以方便用于黑色金属、高温合金等结构材料的焊接。3.提高搅拌头的使用寿命和焊接效率。

Description

一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及载流搅拌摩擦焊的电流加载方式，同时还涉及载流搅拌摩擦焊的电流加载设备。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所1991年发明的一项固相连接技术专利。其过程是由一个圆柱体形状的焊头(搅拌针)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化达到塑性状态，而且沿焊接方向有相对的运动，塑性材料在搅拌针的机械搅拌作用下发生塑性流动，并在轴肩处的顶锻压力下完成焊接的过程。

目前，搅拌摩擦焊(FSW)在Al、Mg等低熔点的有色金属的连接中已获得成功的应用；采用搅拌摩擦焊对高熔点金属的焊接具有广阔的应用前景，虽然对中高熔点金属的搅拌摩擦焊接方面取得了一定的研究进展，但是仍存在着较多尚未解决的问题。科研人员发现对于普通碳钢、不锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接应用方面并不理想。究其原因，主要是这些金属熔点高，硬度大，金属组织内部的固溶颗粒、第二相粒子的阻碍作用等使得仅仅靠机械力和摩擦的热输入不足以得到较好的塑性软化组织，难以形成良好的焊接接头。

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。这种新的复合焊接方法具有以下优点：(1)突破了搅拌摩擦焊在焊件材料上的局限性，可以实现黑色金属，钛合金等高熔点的有色金属及其合金结构材料的焊接。(2)减少搅拌头与高强度金属的摩擦损耗，提高搅拌头的使用寿命。(3)降低了搅拌摩擦焊的工艺苛刻程度和要求条件，可以提高焊接速度和焊接质量，改善焊接接头的力学性能。然而此专利并没有很明确地提出外加电源的种类、电流的加载方式。

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，同时也可以造成电接触不良，焊接效果不佳；该实用新型专利局限于不锈钢的焊接，对其他材料是否合适尚不明确。

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搅拌摩擦焊的电流加载方式。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工件的被焊接区，实现电阻热和摩擦热的共同作用下的载流搅拌摩擦焊焊接过程。

本发明的另一个目的就是提供一种载流搅拌摩擦焊的电流加载设备。

本发明具体解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，在载流-搅拌摩擦焊接过程中，在工件的搅拌摩擦焊接区通入电流而产生内生电阻热和摩擦热共同对接头的工件加热实现焊接的电流加载方法及设备，将外加电源的正极(对交流电源就是一个输出端)接在并不旋转的搅拌头的外轴套肩上，将外加电源的负极(对交流电源就是另一个输出端)接在搅拌区下方的导电片上，被焊工件的底部设有绝缘片；外加电流流经的路线是电源的正极(一个输出端)→导电环扣→外轴套肩→搅拌头→搅拌针→两个被焊工件的搅拌区→导电片→电源负极(另一个输出端)；其外加电流设备由外轴套肩、搅拌头、搅拌针、被焊工件一、被焊工件二、导电片、绝缘片、工作台、导电环扣、电缆线和电源组成；外加电流幅值是搅拌摩擦焊接区的电流密度平均值为1.2A/mm²-138A/mm²，外加电流频率为5-420Hz，占空比为35％-100％。

本发明提供的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，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直流、或交流、或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。

本发明提供的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，外轴套肩不运动，搅拌头和搅拌针一起作旋转运动；导电环扣安装在离搅拌头较近的位置，一端与电缆线相连，通过固定螺栓与外轴套肩连接，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搅拌针；外轴套肩，搅拌头，搅拌针都是能够导电的材料，能够顺利把电流通过外轴套肩、搅拌头、搅拌针传给两个被焊材料的搅拌区，最后通过导电片经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

本发明提供的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，被焊工件一、被焊工件二是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是搭接接头，或是对接接头，或点焊接头，或角接头。

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，能够保证搅拌头既旋转又导电，能够保证在焊接区产生内生电阻热，能够形成正确和可靠的电流回路，稳定、可靠、有效、简便地实现载流搅拌摩擦复合焊接过程，这是载流搅拌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，有利于载流搅拌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.所用设备简单常见，成本较低，易于推广。

附图说明

附图1是本发明搭接接头的电流加载方式及其设备示意图；附图2是对接接头的电流加载方式及其设备示意图。

图中，1-外轴套肩，2-搅拌头，3-搅拌针，4-被焊工件一，5--被焊工件二，6-导电片，7-绝缘片，8-工作台，9-导电环扣，10-电缆线，11-电源。

具体实施方式

本发明主要包含一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，这是载流搅拌摩擦焊接技术的关键内容之一。

下面结合附图1对本发明作进一步详细说明。

载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，在载流-搅拌摩擦焊接过程中，在工件的搅拌摩擦焊接区通入电流而产生内生电阻热和摩擦热共同对搭接接头的工件加热实现焊接的电流加载方法及设备，将外加电源11的正极接在并不旋转的搅拌头的外轴套肩1上，将外加电源11的负极接在搅拌区下方的导电片6上，被焊工件的底部设有绝缘片7；外加电流流经的路线是电源11正极→导电环扣9→外轴套肩1→搅拌头2→搅拌针3→两个被焊工件的搅拌区→导电片6→电源11负极；其外加电流设备由外轴套肩1、搅拌头2、搅拌针3、被焊工件一4、被焊工件二5、导电片6、绝缘片7、工作台8、导电环扣9、电缆线10和电源11组成；外加电流幅值是搅拌摩擦焊接区的电流密度平均值为1.2A/mm²-138A/mm²，外加电流频率为5-420Hz，占空比为35％-100％。

载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备包括外轴套肩1，搅拌头2套于外轴套肩1内，但是搅拌头2旋转时外轴套肩1不发生旋转；搅拌头2与搅拌针3一起旋转，当旋转速度达到一定范围内，搅拌针3缓慢插入被焊工件一4并且直插到被焊工件二5的上表面一定深度处。当搅拌头上的轴肩与被焊工件一4紧密接触时，打开外加电源11上的开关，并迅速把电流调到所需的范围内，电流经过电源11正极(一个输出端)出来，经过电缆线10流向外轴套肩1上的导电环扣9，导电环扣9把电流传导给外轴套肩1，然后电流一直往下流，经过搅拌头2，并且根据电流路线最短原理和最大电压降原理，电流由搅拌头2传向搅拌针3，然后再传到搅拌针3下面的搭接被焊工1的被焊接区域，再由被焊工件1传到被焊工件2，由被焊工件2传到导电片6。而导电片6下面的是绝缘片7，所以电流只能通过电缆线10，流到外加电源11的负极(另一个输出端)，完成电路中电流的流通。

由于搅拌针3不断旋转，搅拌针3总是与被焊工件一4处总是细密地接触又分开再接触。根据接触式电阻最大原理，在搅拌针3附近搅拌摩擦区电阻最大，产生大量的电阻热，在电阻热和搅拌摩擦焊的共同作用下，使两种被焊材料迅速达到热塑性状态，然后再搅拌头2的轴肩顶锻力的作用下完成焊接过程。外轴套肩1、搅拌头2与搅拌针3随着搅拌摩擦焊焊机的一起向前移动，完成载流搅拌摩擦焊接过程。

载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，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、或脉冲的低电压大电流电源；所选用的导电片6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7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。

载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，外轴套肩1不运动，搅拌头2和搅拌针3一起作旋转运动；导电环扣9安装在离搅拌头2较近的位置，一端与电缆线10相连，通过固定螺栓与外轴套肩1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搅拌针3；外轴套肩1，搅拌头2，搅拌针3都是能够导电的材料，能够顺利把电流通过外轴套肩1、搅拌头2、搅拌针3传给两个被焊材料的搅拌区，最后通过导电片6经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路。

载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，被焊工件一4、被焊工件二5是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是搭接接头，或是对接接头，或点焊接头，或角接头。

对于如图1所示的搭接接头其具体过程解释如下，采用数字式逆变电阻焊电源11，把电源调到所需电流的档次；然后将电源的正极(一个输出端)用电缆线10接到事先准备的具有导电环扣9的外轴套肩1上；而将具有一定厚度和一定强度的绝缘片7(如橡胶块)放于水平工作台8上，然后将导电片6(如铜片)放于绝缘片7上面，然后把被焊工件二5、被焊工件一4依次放好并采用夹持固定住。然后把导电片6用电缆线10接到电源的负极(另一个输出端)；

然后开启搅拌摩擦焊焊机，搅拌头2和搅拌针3高速旋转并缓慢插入被焊工件一4和被焊工件二5，当搅拌头2的轴肩与被焊工件一4紧密结合后，开启外加电源11开关，通以电流，在搅拌摩擦焊接区由于内生电阻热和搅拌摩擦热共同作用下，使被焊工件一4和被焊工件二5的焊接区达到热塑性状态，由于搅拌针3与两个被焊工件之间相对运动，焊缝处的材料产生的高温粘塑性状态在焊缝内部也产生相对运动，在热激活作用下，这层呈高温粘塑性状态的材料发生动态再结晶，使被焊工件一4和被焊工件二5通过相互扩散与再结晶从而焊接在一起，实现了被焊工件的载流搅拌复合摩擦焊接过程。

对于如图2所示的对接接头与如图1所示的搭接接头的原理相同，只是被焊工件一4和被焊工件二5的空间装配位置不同的区别。

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。

具体实施例1：

焊接两块厚为3mm的304不锈钢的对接接头，搅拌头为钨合金钢，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为2.9mm。采用本发明的搭接接头的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，采用数字式逆变弧焊焊接电源作为外加电源，采用1.2mm厚的铜片作为导电片，无电刷，以及5mm厚的绝缘胶木作为绝缘片，上面安放10mm的紫铜板与工件直接接触。固定后采用搅拌头的旋转速度为900r/min，焊接速度为60mm/min，辅助电流为直流860A，能够得到成型良好的焊接接头。

具体实施例2：

焊接两块厚为3mm的Q235钢和2mm 304不锈钢搭接接头，搅拌头为钨合金钢，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为4mm。采用本发明的的搭接接头的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式及其设备，采用数字式逆变电阻焊焊接电源作为外加电源，采用2mm厚的铝片作为导电片，无电刷，以及5mm厚陶瓷块作为绝缘材料。将Q235钢放在上面和304不锈钢放在下面，固定后采用搅拌头的旋转速度为1200r/min，焊接速度为55mm/min，辅助电流为脉冲640A，频率50Hz，占空比为60％，能够得到成型良好的焊接接头。

Claims (4)

1.一种载流搅拌摩擦焊的电流加载方式，在载流-搅拌摩擦焊接过程中，在工件的搅拌摩擦焊接区通入电流而产生内生电阻热和摩擦热共同对接头的工件加热实现焊接的电流加载方式，其特征在于：将外加电源(11)的正极接在并不旋转的搅拌头的外轴套肩(1)上，将外加电源(11)的负极接在搅拌区下方的导电片(6)上，被焊工件的底部设有绝缘片(7)；外加电流流经的路线是电源(11)正极→导电环扣(9)→外轴套肩(1)→搅拌头(2)→搅拌针(3)→两个被焊工件的搅拌区→导电片(6)→电源(11)负极；其外加电流设备包括外轴套肩(1)、搅拌头(2)、搅拌针(3)、被焊工件一(4)、被焊工件二(5)、导电片(6)、绝缘片(7)、工作台(8)、导电环扣(9)、电缆线(10)和电源(11)；外轴套肩(1)不运动，搅拌头(2)和搅拌针(3)一起作旋转运动；导电环扣(9)安装在离搅拌头(2)较近的位置，一端与电缆线(10)相连，通过固定螺栓与外轴套肩(1)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搅拌针(3)；外轴套肩(1)，搅拌头(2)，搅拌针(3)都是能够导电的材料，能够顺利把电流通过外轴套肩(1)、搅拌头(2)、搅拌针(3)传给两个被焊材料的搅拌区，最后通过导电片(6)经过电缆线回到电源的负极而构成有效的电回路；外加电流幅值是搅拌摩擦焊接区的电流密度平均值为1.2A/mm²-138A/mm²，外加电流频率为5-420Hz，占空比为35％-100％。

2.根据权利要求1所述的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式，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(6)是具有一定厚度的、有一定强度的、良好导电能力的材料，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(7)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。

3.根据权利要求2所述的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式，其特征在于：所选用的导电片(6)是铜片，或者是铝片；所选用的绝缘片(7)是陶瓷材料，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。

4.根据权利要求1所述的载流搅拌摩擦焊的电流加载方式，其特征在于：被焊工件一(4)、被焊工件二(5)是同种材料，或者是异种材料；被焊工件接头是搭接接头，或是对接接头，或点焊接头，或角接头。

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