CN102581471A - 一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种轴肩固定及搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，将焊件A和焊件B对接装夹在工作台上；搅拌工具的搅拌针以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位，搅拌工具的固定轴肩不动，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合，超声换能器的超声波能量通过固定轴肩放大并传递到待焊部分；当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊缝方向移动。本发明的搅拌针高速旋转，固定轴端不旋转并套装在搅拌针上，固定轴肩上端面与超声换能器紧密贴合，其下端面与待焊件紧密贴合，有效的将超声波传递到待焊接部分，细化了搅拌区的晶粒，提高了搅拌摩擦焊接头的力学性能。

Description

一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法
技术领域：本发明涉及一种焊接方法，尤其是一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，可实现铝合金、镁合金等同种或异种金属材料结构件的连接。
背景技术：作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊技术具有低应力、小变形、绿色无污染等优点。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌工具与试件间存在较大的轴向压力、旋转扭矩以及前进阻力等，导致采用刚度较大的焊接用夹具；当焊接过程中的热量输入不足，材料的流动性不好，导致隧道、S形线等缺陷的产生。上述问题的产生主要归咎于搅拌摩擦焊本身的技术特性，即固相。为了降低焊接过程中的装夹要求，研究工作者常采用两种途径：一是热源辅助的搅拌摩擦焊；二是搅拌工具高速旋转的搅拌摩擦焊。而搅拌工具的高速旋转亦可解决由流动性不好造成的焊接缺陷问题。对于搅拌摩擦焊来讲，焊接热主要靠组成搅拌工具的轴肩与搅拌针摩擦与剪切母材产生，而焊接热会随着搅拌工具旋转速度的增加而增加，造成焊接材料的温度升高。基于此，提出了半固相态搅拌摩擦焊方法。同时，为了进一步细化搅拌区的晶粒进而提升接头性能，可采用超声辅助。研究资料表明，超声细化晶粒的效果只要当材料温度较高时可能体现出来，因此，不适用于固相搅拌摩擦焊方法的超声波可细化处于半固态的搅拌区的晶粒。
发明内容：本发明为了解决搅拌摩擦焊接过程中的夹具刚度要求高、避免由材料流动性不足而导致的缺陷等问题，提出了一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，采用以下步骤：
步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A与焊件B组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A和焊件B均为板材。
步骤二、组成搅拌工具的带螺纹搅拌针最大直径大于1.5倍工件厚度且锥角小于5°，以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位(即焊件A与焊件B的对接面)；组成搅拌工具的轴肩固定(即不旋转)且轴肩直径大于2倍的工件厚度，超声换能器的超声波通过搅拌工具的轴肩传递并放大，超声波的参数如下：频率为16～60K以及振幅为20～50μm；搅拌工具扎入速度为1～4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小0.1～0.3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上边面紧密贴合，以便于超声波传递给工件的待焊部分。
步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～5分钟；然后，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
本发明的有益效果是：
一、搅拌针高速旋转与焊接件相互摩擦和轴肩的超声振动共同为待焊部分提供大量的热，导致材料温度介于固相线与液相线温度之间(即半固态温度)，使得搅拌针附近材料的软化程度加大，旋转扭转与前进阻力相应的减少，有效防止隧道、S形线等缺陷的产生，有利于降低装夹要求。
二、搅拌工具的轴肩固定且不扎入工件表面，对处于软化状态下的焊接材料进行碾压，可防止搅拌区材料流出焊件，避免飞边缺陷的产生，使焊件的表面质量更好，大大提高了焊接头的力学性能。
三、搅拌工具的轴肩上端面直接与超声换能器相连接，轴肩的下端面与工件表面紧密接触，直接将超声波放大并传递到待焊部分，进而起到对焊接部分材料内部的晶粒细化的作用，进一步提高焊接头的性能。
附图说明
图1是搅拌工具的结构示意图
图2是轴肩固定及搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接过程示意图。
图3是搅拌摩擦焊接过程搅拌工具与两块待焊板材的位置关系示意图
具体实施方式：
如图1和图2所示：焊件A5和焊件B6对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A5与焊件B6组对)，所述焊件A5和焊件B6均为板材。超声换能器3与固定轴肩2的上端面紧密贴合，此处的固定轴肩2充当超声换能器3的变幅杆，将超声波放大并传递到待焊部分；搅拌工具4由搅拌针1、固定轴肩2组成，固定轴肩2套装在搅拌针1上，其中搅拌针1的直径较大，可增加与待焊件相互摩擦的接触面，进而提高了待焊接部分的产热效率
如图3所示：固定轴肩2下端面与待焊件的上表面保持紧密贴合但不扎入，搅拌针1的扎入深度为H，焊接件A5与焊接件B6的厚度均为T。
实施例一
本实施方式所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、将焊件A5和焊件B6对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A5与焊件B6组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A5和焊件B6均为板材。
步骤二、组成搅拌工具4的带螺纹搅拌针1最大直径大于1.5倍工件厚度T且锥角小于5°，以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位(即焊件A5与焊件B6的对接面)；组成搅拌工具4的固定轴肩2(即不旋转)且轴肩直径大于2倍的工件厚度T，超声换能器3的超声波通过搅拌工具4的轴肩2传递并放大，超声波的参数如下：频率为16～60K以及振幅为20～50μm；搅拌工具4扎入速度为1～4mm/min，搅拌针1扎入工件深度H比工件厚度T小0.1～0.3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩2下端面与工件上表面紧密贴合，以便于超声波传递给工件的待焊部分。
步骤三、当搅拌工具4达到设定的下扎深度时，搅拌针1停止下扎且继续旋转1～5分钟；然后，搅拌工具4以50～2500mm/min的速度沿着焊件A5与焊件B6的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
实施例二
本实施方式在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为3000～5000rpm。可根据焊件A4与焊件B5以及焊接过程中温度的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使工件达到半固态。其它步骤与实施例一相同。
实施例三
本实施方式在步骤二中，所述的超声波频率为40K～60K。可根据焊件A4与焊件B5的具体情况来选择超声波的频率，使焊核及其附近区域的晶粒得到充分细化，提高接头性能。其它步骤与实施例一相同。
实施例四
本实施方式在步骤三中，所述的搅拌工具3以50～200mm/min的速度沿着水平方向移动。可根据焊件A4与焊件B5以及焊接过程中的温度的具体情况来选择搅拌工具的移动速度，使工件达到半固态。其它步骤与实施例一相同。
实施例五
本实施方式在步骤三中，所述的当搅拌工具3达到设定的下扎深度时，搅拌针1停止下扎且继续旋转4～5分钟。可根据焊件A4与焊件B5以及焊接过程中的温度的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使工件得到充分的预热，使工件更容易达到半固态。其它步骤与实施例四相同。

Claims (6)

1.一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，采用以下步骤：
步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上；
步骤二、组成搅拌工具的带螺纹搅拌针最大直径大于1.5倍工件厚度且锥角小于5°，以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位；组成搅拌工具的轴肩固定且轴肩直径大于2倍的工件厚度，超声换能器的超声波通过搅拌工具的轴肩传递并放大，超声波的参数如下：频率为16～60K以及振幅为20～50μm；搅拌工具扎入速度为1～4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小0.1～0.3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上边面紧密贴合；
步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转1～5分钟；然后，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
2.如权利要求1所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述焊件A和焊件B均为板材。
3.如权利要求1所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的搅拌针的旋转速度为3000～5000rpm。
4.如权利要求1所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述的超声波频率为40K～60K。
5.如权利要求1所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤三中，所述的搅拌工具以50～200mm/min的速度沿着水平方向移动。
6.如权利要求5所述的一种轴肩固定且搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在步骤三中，所述的当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转4～5分钟。
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