CN101890573B - 一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，它涉及一种搅拌摩擦焊接方法。解决常规搅拌摩擦焊存在的下压力大、前进阻力大、为了克服搅拌针高速旋转，而轴肩同向高速旋转或不转动所产生的各种问题。搅拌头的搅拌针以3000～30000转/分的转速扎入待焊部位；搅拌头的轴肩的旋转速度低于搅拌针的旋转速度，其旋转方向与搅拌针相反；轴肩的旋转速度为10～1000转/分；搅拌头扎入速度为1～5mm/分钟，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小0～0.5mm，轴肩扎入工件的深度为0～0.5mm；搅拌头以100～5000mm/分的速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的对接面水平方向移动。焊接所需热量不依赖轴肩与被焊材料的摩擦，就不需要很大的下压力来保证轴肩部分的摩擦产热，减小了下压力。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，克服了熔焊方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷的问题，使得以往难于熔焊的某些材料实现了优质焊接，并一举成为铝、镁及其合金的首选焊接方法。然而，常规的搅拌摩擦焊存在如下缺点：(1) 80%以上的摩擦产热源于轴肩与被焊材料的摩擦，焊接过程中需要施加很大的下压力才能产生足够的热量；(2)搅拌头附近的被焊材料的温度较低，搅拌头旋转所需的扭矩和搅拌头前进的阻力较大；(3)由于扭矩和阻力较大，需使用功率较大的电机，能耗较多；(4)由于搅拌头下压力、扭矩和前进阻力较大，被焊工件必须牢固装夹；为了保证搅拌摩擦焊机及夹具具有足够的刚度，其结构尺寸必须做得很大。
为解决上述问题，有人提出了一种搅拌针和轴肩一起高速旋转运动的搅拌摩擦焊，但这种搅拌摩擦焊存在焊缝过热、飞边严重以及产生孔洞等不足之处。此外，还有人提出了轴肩不旋转而搅拌针高速转动的搅拌摩擦焊，虽然此时扭矩明显降低，但下压力和前进阻力依然较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决常规搅拌摩擦焊存在的下压力大、扭矩大、前进阻力大、装夹要求严、设备庞大和能耗较大的问题，同时也为了克服搅拌针高速旋转，而轴肩同向高速旋转或不转动所产生的焊缝过热、飞边严重以及产生孔洞等问题，提出一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将第一被焊工件4和第二被焊工件5对接设置且二者位于同一水平面上（即将第一被焊工件4和第二被焊工件5组对），并用夹具装夹在工作台上；所述第一被焊工件4和第二被焊工件5均为板材；
步骤二、搅拌头3的搅拌针1以3000～30000转/分的转速 
扎入待焊部位（即第一被焊工件4和第二被焊工件5的对接面）；搅拌头3的轴肩2的旋转速度
低于搅拌针1的旋转速度，其旋转方向与搅拌针1相反；轴肩2的旋转速度
为10～1000转/分；搅拌头3扎入速度为1～5mm/分钟，搅拌针1扎入工件深度H1比工件厚度T小0～0.5mm，轴肩2扎入工件的深度H2为0～0.5mm；
步骤三、当搅拌头3达到设定的下扎深度时，搅拌头3以100～5000mm/分的速度沿第一被焊工件4和第二被焊工件5的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
本发明所述“差速旋转”是指搅拌头的轴肩的旋转速度低于搅拌针的旋转速度，且二者的旋转方向相反。
搅拌头由相互分离的搅拌针与轴肩组成，搅拌针的旋转方向与轴肩的旋转方向相反，搅拌针高速旋转，轴肩低速旋转；搅拌针高速旋转使得搅拌针周围的被焊材料升温速度加快，峰值温度提高，材料软化程度加大。本方法中搅拌摩擦焊的产热主要来自搅拌针与被焊材料的高速摩擦，而常规搅拌摩擦焊的产热主要来自轴肩与被焊材料的摩擦。本方法中焊接所需热量不依赖轴肩与被焊材料的摩擦，这样就不需要很大的下压力来保证轴肩部分的摩擦产热，从而减小了下压力。同时，由于搅拌针附近材料的软化程度大，焊接过程的扭矩和前进阻力也相应减小。这些力的减小使得能耗降低，设备体积减小，装夹要求降低，进而提高生产效率。本方法焊缝质量好，焊接速度快，下压力小，扭矩和前进阻力小，工件装夹要求低，能耗小，可焊复杂构件，可用于机器人焊接和空间焊接。
本发明的有益效果具体表现为以下几个方面：一、本发明中的焊接产热主要来自搅拌针与被焊材料的高速摩擦，因此不需要在轴肩部位施加很大的下压力；二、本发明中材料软化程度增大，扭矩和前进阻力下降；三、搅拌针与轴肩旋转方向相反，它们对被焊工件的扭矩作用方向相反，会有部分抵消效果，因此被焊工件所受的扭矩作用下降；四、被焊工件受力减小，装夹要求降低，生产效率提高；五、下压力减小，对于某些被焊工件可以不加垫板，这样搅拌摩擦焊就可以应用于无法加垫板的复杂结构的焊接；六、由于焊接所需的力和扭矩减小，能耗降低；七、由于焊接所需的力和扭矩减小，对设备的刚度要求降低，能实现设备的轻量化，并可用于机器人焊接和空间焊接；八、逆向低速旋转的轴肩一方面防止了焊缝过热，另一方面阻止了飞边和孔洞的产生，同时避免了不旋转轴肩前进阻力大的缺点。九、产热速度加快，材料加热速度增大，所以焊接速度加快。
附图说明
图1是搅拌头的结构示意图（搅拌头3由搅拌针1与轴肩2组成）；图2是搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接过程示意图；图3是搅拌摩擦焊接过程搅拌头与两块待焊板材的位置关系图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～3所示，本实施方式所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将第一被焊工件4和第二被焊工件5对接设置且二者位于同一水平面上（即将第一被焊工件4和第二被焊工件5组对），并用夹具装夹在工作台上；所述第一被焊工件4和第二被焊工件5均为板材；
步骤二、搅拌头3的搅拌针1以3000～30000转/分的转速
扎入待焊部位（即第一被焊工件4和第二被焊工件5的对接面）；搅拌头3的轴肩2的旋转速度
低于搅拌针1的旋转速度，其旋转方向与搅拌针1相反；轴肩2的旋转速度
为10～1000转/分；搅拌头3扎入速度为1～5mm/分钟，搅拌针1扎入工件深度H1比工件厚度T小0～0.5mm，轴肩2扎入工件的深度H2为0～0.5mm；
步骤三、当搅拌头3达到设定的下扎深度时，搅拌头3以100～5000mm/分的速度沿第一被焊工件4和第二被焊工件5的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
具体实施方式二：本实施方式在步骤二中，所述的轴肩2的旋转速度
为100～800转/分。可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择轴肩2的旋转速度，以减小搅拌头3的下扎和前进阻力。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式在步骤二中，所述的搅拌头3扎入速度为2～4mm/分钟。可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择搅拌头3的扎入速度，使搅拌头3易于扎入被焊工件。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式在步骤二中，所述的搅拌针1扎入工件的深度H1比工件厚度T小0.3mm；可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择搅拌针1的扎入深度，以增加接头强度。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式在步骤二中，所述的轴肩2扎入工件的深度H2为0.1～0.3mm。可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择轴肩2的扎入深度，以增加接头强度。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：本实施方式在步骤二中，所述的搅拌针1的转速为5000～20000转/分。可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择搅拌针1的旋转速度，以减小搅拌头3的下扎和前进阻力。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式在步骤三中，所述的搅拌头3以500～2500mm/分的速度沿水平方向移动。可以根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的具体情况选择搅拌头3的水平移动速度，以增加接头强度。其它步骤与具体实施方式一相同。
Claims (7)
1.一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将第一被焊工件（4）和第二被焊工件（5）对接设置且二者位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上；所述第一被焊工件（4）和第二被焊工件（5）均为板材；
步骤二、搅拌头（3）的搅拌针（1）以3000～30000转/分的转速（ 
）扎入待焊部位，所述待焊部位是指第一被焊工件（4）和第二被焊工件（5）的对接面；搅拌头（3）的轴肩（2）的旋转速度（
）低于搅拌针（1）的旋转速度，其旋转方向与搅拌针（1）相反；轴肩（2）的旋转速度（
）为10～1000转/分；搅拌头（3）扎入速度为1～5mm/分钟，搅拌针（1）扎入工件深度（H1）比工件厚度（T）小0～0.5mm，轴肩（2）扎入工件的深度（H2）为0～0.5mm；
步骤三、当搅拌头（3）达到设定的下扎深度时，搅拌头（3）以100～5000mm/分的速度沿第一被焊工件（4）和第二被焊工件（5）的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的轴肩（2）的旋转速度（
）为100～800转/分。
3.根据权利要求1或2所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的搅拌头（3）扎入速度为2～4mm/分钟。
4.根据权利要求1所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的搅拌针（1）扎入工件的深度（H1）比工件厚度（T）小0.3mm。
5.根据权利要求3所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的轴肩（2）扎入工件的深度（H2）为0.1～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的搅拌针（1）的转速（）为5000～20000转/分。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌针与轴肩差速旋转的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤三中，所述的搅拌头（3）以500～2500mm/分的速度沿水平方向移动。
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