CN101875154B - 流动摩擦焊接方法及其工具 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术，涉及一种适用于同种或异种热塑性材料的连接、加工以及工件缺陷修补的流动摩擦焊接方法及其工具。本发明的焊接方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40～4000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0～15°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2～30秒之后进行焊接。本发明所用的流动摩擦工具的摩擦头端面开有螺旋形或放射形槽。本发明流动摩擦焊接工具没有伸入工件内部，因而本发明没有搅拌摩擦焊中的“匙孔”，本发明在点焊、搭接、对接、缺陷修补、材料加工等领域均可应用。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术，涉及一种适用于同种或异种热塑性材料的连接(如对接、搭接、点焊等)，同时适用于材料的晶粒细化加工以及工件缺陷修补的流动摩擦焊接方法及其工具。
背景技术
英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding，简称FSW，美国专利NO.5,460,317)，是一项固相连接技术。搅拌摩擦焊所用的工具为搅拌头，搅拌头的主要结构包括夹持柄(搅拌头与动力系统的连接部分)、轴肩和搅拌针。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头旋转并对工件施加搅拌头轴线方向的顶锻力，搅拌针首先接触到工件，搅拌针与工件间的摩擦和挤压产生热量，把搅拌针附近的材料加热到塑性状态，保证搅拌针可以顺利扎入工件。当搅拌针完全扎入工件并且轴肩接触到工件表面时，搅拌头停止轴向的运动并开始沿着焊缝方向移动，在搅拌针和轴肩对工件的摩擦、搅拌和挤压作用下形成固相连接的接头。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针扎入工件并回抽，因而会在工件上留有一“匙孔”。搅拌摩擦焊接过程中，因为搅拌针的搅拌作用，接头中易出现“S线”缺陷、搭接界面畸变、未焊透缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种在焊接工件表面不留“匙孔”的流动摩擦焊接方法及其工具。本发明的技术解决方案是，流动摩擦焊接方法是将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40～4000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0～15°夹角与工件表面接触，接触后流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2～30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，
(一)流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束；
(二)流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，以10～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。
所述的流动摩擦工具对工件施加法向压力与流动摩擦工具端面的直径成正比。
流动摩擦焊接方法所用的流动摩擦工具是，流动摩擦工具的摩擦头端面开有槽，槽的深度为0.1～4mm，槽的形状为如下之一，
(一)螺旋形，螺旋形槽为1～6条，螺旋形槽的螺旋方向与流动摩擦工具的旋转方向相反，螺旋形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形；
(二)放射形，放射形槽以端面上的一点为中心向流动摩擦工具端面边缘放射，放射形槽的放射轨迹为直线或圆弧线，放射形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形。
所述的摩擦工具端面的槽是螺旋形或放射形或螺旋放射组合形。
所述槽的深度相同或槽口与槽尾间在0.1～4mm间渐变。
流动摩擦焊接(Friction Flow Welding，简称FFW)，适用于热塑性材料的连接。流动摩擦焊接工具在外力的作用下旋转，流动摩擦焊接工具沿着焊接工具轴线方向接近工件，当流动摩擦焊接工具的端面接触到工件表面时，流动摩擦焊接工具停止轴线方向的运动并对工件施加一轴向顶锻力，通过流动摩擦焊接工具端面与工件间的摩擦产热、工件材料在流动摩擦焊接工具作用下的高应变率大变形产生的热量使工件材料塑化，同时旋转运动的流动摩擦焊接工具端面的槽结构对塑化的工件材料施以拘束、驱动作用，使塑化的工件材料在空间范围内流动形成一个塑性材料流动区，从而消除焊接界面并形成接头。
本发明具有的优点和有益效果，流动摩擦焊接工具没有伸入工件内部、没有对工件内部的材料进行搅拌，而是通过流动摩擦焊接工具端面与工件表面间的相互作用产生热量，使工件材料塑化。同时，流动摩擦焊接工具端面的槽结构把大部分塑化的工件材料拘束在流动摩擦焊接工具端面下方(也就是塑化的工件材料具有向流动摩擦工具端面中心运动的趋势)，聚集在流动摩擦焊接工具下方的塑化工件材料受到流动摩擦焊接工具端面的驱动而产生流动，这种流动是三维空间内的流动，塑性金属流动的方向不仅包括平行于流动摩擦头端面的方向，还包括垂直于流动摩擦头端面的方向。工件焊接界面处的材料发生塑化并发生三维空间流动，从而焊接界面消失并形成固相接头。流动摩擦焊接工具没有伸入工件内部，因而本发明没有搅拌摩擦焊中的“匙孔”，同时与搅拌摩擦焊完全不同的接头形成原理，使本发明具有搅拌摩擦焊不具备的诸多优点，
本发明是一种全新的固相连接技术，本发明在薄壁结构件的点焊(如飞机蒙皮，汽车蒙皮等)、异种材料点焊(如铝铜、铝钢等)、高温材料的点焊(钛合金、不锈钢等)、薄壁结构件的对接和搭接、工件表面缺陷修补、材料性能优化、表面处理、复合材料的制备等工程应用领域有巨大潜力。
附图说明
图1是本发明流动摩擦头示意图；
图2是本发明流动摩擦头端面结构示意图，其中，A是槽结构示意图，B是槽的横截面示意图；
图3是本发明流动摩擦工具端面多种不同槽形的示意图；
图4是本发明流动摩擦工具槽的多种不同横截面的示意图。
具体实施方式
流动摩擦焊接方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40～4000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0～15°夹角与工件表面接触，接触后流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2～30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，
(一)流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束；
(二)流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，以10～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。
所述的流动摩擦工具对工件施加法向压力与流动摩擦工具端面的直径成正比。
流动摩擦焊接方法所用的流动摩擦工具是，流动摩擦工具的摩擦头端面开有槽，槽的深度为0.1～4mm，槽的形状为如下之一，
(一)螺旋形，螺旋形槽为1～6条，螺旋形槽的螺旋方向与流动摩擦工具的旋转方向相反，螺旋形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形；
(二)放射形，放射形槽以端面上的一点为中心向流动摩擦工具端面边缘放射，放射形槽的放射轨迹为直线或圆弧线，放射形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形。
所述的摩擦工具端面的槽是螺旋形或放射形或螺旋放射组合形。
所述槽的深度相同或槽口与槽尾间在0.1～4mm间渐变。
如图1所示，流动摩擦工具主要包括夹持柄1和流动摩擦头端面2。夹持柄1的结构与搅拌摩擦焊搅拌头的夹持柄结构类似，起固定作用。流动摩擦头端面2具有特殊的结构，其作用包括三方面：与工件材料相互作用(摩擦作用、流动摩擦头端面结构使工件材料发生高应变率的大变形)产生热量；对塑化的材料施加拘束作用，使大部分塑化材料聚集在流动摩擦头端面下方；驱动聚集在流动摩擦头端面下方的塑性金属在三维空间内流动，可实现这三方面功能的结构均可作为流动摩擦头的端面结构。
图2为一种流动摩擦头端面结构实例，该端面结构为一阿基米德螺旋槽。流动摩擦头端面结构可通过端面结构的宏观形状和槽的横截面形状两个概念来描述。该实例的宏观形状为阿基米德螺旋线状，槽的横截面形状为半圆形。
图3是本发明流动摩擦工具端面结构多种不同的宏观形状。包括多种螺旋形和放射形和螺旋放射复合形。
图4是本发明流动摩擦工具端面槽的多种不同横截面的示意图。图4中的任何一种槽横截面均可与图3中的一种端面结构宏观形状组合，得到一种流动摩擦头端面结构。
实施例一流动摩擦点焊(Friction Flow Spot Welding，简称FFSW)
点焊2mm厚的2524-T3铝合金，流动摩擦头直径为Φ10mm，端面槽宏观形状为螺旋形，2条螺旋线，槽的横截面形状为半圆形，槽深为0.3mm，各处槽深相同。
流动摩擦点焊方法是，将流动摩擦头置于焊接设备上，并以400转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力5KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留5秒之后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。2mm厚2524铝合金流动摩擦点焊接头内部没有缺陷，可承受的最大拉力超过6kN，拉伸试验件的断裂位置均在热机影响区。
实施例二流动摩擦点焊
点焊3mm厚的6082-T6铝合金，流动摩擦头直径为Φ15mm，端面槽宏观形状为螺旋形，3条螺旋线，槽的横截面形状为半圆形，槽的深度为槽口与槽尾间由0.1～2mm线性渐变。流动摩擦头轴线的倾斜角度为3°，旋转速度为2400转/分，法向力为30KN，停留时间为30秒。最终得到无缺陷3mm厚6082铝合金流动摩擦点焊接头。
实施例三流动摩擦对接焊
流动摩擦对接焊5mm厚6082-T6铝合金，用直径为Φ20mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为螺旋形，四条螺旋线，槽深2mm等深度，槽的横截面形状为倒三角形。
流动摩擦对接焊方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以2000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈5°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留6秒之后，以100mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。流动摩擦对接焊5mm厚6082铝合金接头没有缺陷，且背弯180°后，接头背面没有裂纹。
实施例四流动摩擦对接焊
流动摩擦对接焊0.3mm厚6061铝合金，用直径为Φ8mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为圆弧放射形，3条放射线，槽深0.15mm等深度，槽的横截面形状为半圆形。流动摩擦头轴线的倾斜角度为0.5°，旋转速度为3000转/分，法向力为0.1KN，停留时间为5秒后，以300mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。最终得到无缺陷0.3mm厚6061铝合金流动摩擦点焊接头，且背弯180°后，接头背面没有裂纹。
实施例五流动摩擦搭接焊
流动摩擦搭接焊3mm厚2024-T351铝合金，用直径为Φ12mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为螺旋放射形，3条螺旋线由一个中心向外放射，槽深0.5mm等深度，槽的横截面形状为矩形。
流动摩擦搭接焊方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以3500转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈15°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力50KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留10秒之后，以600mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。流动摩擦搭接焊3mm厚2024-T351铝合金接头没有缺陷，接头所承受的最大力超过15KN。
实施例六流动摩擦搭接焊
流动摩擦搭接焊1.6mm厚TC4钛合金，用直径为Φ10mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为螺旋形，1条螺旋线，槽深0.3mm等深度，槽的横截面形状为半圆形。流动摩擦头轴线的倾斜角度为0°，旋转速度为4000转/分，法向力为30KN，停留时间为8秒后，以300mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。最终得到1.6mm厚TC4钛合金无缺陷流动摩擦搭接焊接头。
搅拌摩擦搭接焊过程中，普遍存在前进侧的界面畸变和后退侧的冷搭接，这些缺陷本质上就是弱连接，且伸入焊核，大大降低了接头的有效连接宽度，在承受交变载荷时是主要的裂纹源。流动摩擦搭接焊接头界面畸变没有伸入焊核内部，没有降低接头的有效连接宽度。
实施例七流动摩擦焊缺陷修补(Friction Flow Repairing，简称FFR)
流动摩擦焊缺陷修补铝合金结构件，用直径为Φ20mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为螺旋形，2条螺旋线，槽深1mm等深度，槽的横截面形状为矩形。
流动摩擦搭接焊方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以3000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈1°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力60KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2秒之后，以600mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。最终实现铝合金结构件表面缺陷的修补。
实施例八流动摩擦焊材料加工(Friction Flow Processing，简称FFP)
流动摩擦材料加工铝合金，用直径为Φ30mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为放射形，6条放射线，槽深2～4mm从槽口到槽尾线性变深，槽的横截面形状为半圆形。
流动摩擦材料加工的方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈10°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留15秒之后，以10mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。流动摩擦焊接头的晶粒比母材的细小，提高材料的腐蚀性能、力学性能。流动摩擦焊接头与母材腐蚀试验结果显示，母材已被腐蚀出凹坑，而流动摩擦焊接头仍保持完好。流动摩擦焊材料加工在材料性能优化、表面处理(提高工件表面的硬度、耐磨和疲劳性能、物理和化学性能)领域前景广阔。
实施例九流动摩擦材料加工制备复合材料
流动摩擦材料加工制备复合材料，在铝合金基体上布置小孔，小孔内放置钨粉，然后进行流动摩擦焊。用直径为Φ30mm的流动摩擦头，端面槽的宏观形状为放射形，6条放射线，槽深2～4mm从槽口到槽尾线性变深，槽的横截面形状为半圆形。流动摩擦头轴线的倾斜角度为5°，旋转速度为3500转/分，法向力为30KN，停留时间为8秒后，以1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动使端面离开工件上表面，焊接结束。经过多次焊接，最终使钨粉均匀分布在铝合金基体内得到新的材料。
Claims (5)
1.一种流动摩擦焊接方法，其特征是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40～4000转/分的旋转速度旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0～15°夹角与工件表面接触，接触工件表面后流动摩擦工具对工件施加工件表面法向压力0.1～100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2～30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，
(一)流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束；
(二)流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，以10～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。
2.根据权利要求1所述的流动摩擦焊接方法，其特征是，所述的流动摩擦工具对工件施加的法向压力与流动摩擦工具端面的直径成正比。
3.一种权利要求1所述流动摩擦焊接方法的流动摩擦工具，其特征是，流动摩擦工具的摩擦头端面开有槽，槽的深度为0.1～4mm，槽的形状为如下之一，
(一)螺旋形，螺旋形槽为1～6条，螺旋形槽的螺旋方向与流动摩擦工具的旋转方向相反，螺旋形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形；
(二)放射形，放射形槽以端面上的一点为中心向流动摩擦工具端面边缘放射，放射形槽的放射轨迹为直线或圆弧线，放射形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形。
4.根据权利要求3所述的流动摩擦工具，其特征是，所述的摩擦工具端面的槽是螺旋形或放射形或螺旋放射组合形。
5.根据权利要求3所述的流动摩擦工具，其特征是，所述槽的深度相同或槽口与槽尾间在0.1～4mm间渐变。
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