CN102615417A - 一种注入式搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种注入式搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头和搅拌针，其特征在于：在搅拌头和搅拌针的中心加工有一个上、下贯通的注入孔，通过一个压力执行装置从注入孔上端向孔内的焊接补偿材料施加压力，使焊接补偿材料通过注入孔的下端注入焊缝。该装置可以大幅降低焊缝中孔洞、隧道等缺陷的发生几率，提升焊缝力学性能。适当调节注入量，还可以实现无倾角搅拌摩擦焊，显著提升焊接效率。

Description

一种注入式搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本发明是一种注入式搅拌摩擦焊接装置，属于搅拌摩擦焊接技术领域。适用金属材料及其他可实现搅拌摩擦焊接的非金属材料。

背景技术

20多年以来，搅拌摩擦焊技术在大量的实验和应用过程中显示出一系列独特的优点：首先，焊接温度低于材料熔点，避免或降低了融化-凝固过程中热裂纹、气孔、缩松以及应力集中、元素烧损等现象的产生，无需填丝，不会出现熔焊过程中熔池金属受到污染的现象，接头性能较高；其次，技术原理简单，就是将旋转的搅拌头插入被焊的工件，利用摩擦产热和搅拌头高速旋转所形成的塑性金属流动形成接头，对材料的适应性强，可实现几乎所有金属材料，异种金属材料以及一些非金属材料的焊接；再次，焊接速度快、效率高，过程中无烟尘、飞溅，噪音低、污染小。搅拌摩擦焊被誉为“绿色焊接技术”，在航空、航天、船舶、汽车、电子等众多领域都得到了大量应用，而且应用的深度和广度呈现急速增长态势，具有非常好的开发潜力和应用前景。

搅拌摩擦焊技术虽然优点众多，但并非完美：其一，焊接过程中搅拌头与焊缝竖直方向一般会保持1°～3°的夹角，目的是通过轴肩后沿的挤压作用防止塑化金属无序挤出，造成焊缝内部材料不足而形成空洞。在焊接直缝时，保持固定夹角很容易做到，但是在焊接平面二维焊缝时，每到焊缝转弯处就需要调整搅拌针倾斜方向，降低工作效率，如果调节不当或精度不高，还会出现焊接缺陷。其二，焊缝减薄，由于焊接倾角以及搅拌头有一定的压入量，焊后焊缝会比母材薄，薄板焊接时减薄量能达到0.1～0.3mm，这会导致强度测量值低于实际值。其三，如果搅拌头形状或焊接参数选择不合理会导致焊缝内部塑化金属发生紊流，产生孔洞、隧道等缺陷。以上三方面是搅拌摩擦焊目前面临的技术问题，不但影响焊接效率，而且在一定程度上限制了搅拌摩擦焊技术的应用。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种注入式搅拌摩擦焊接装置，其目的是在搅拌摩擦焊接及搅拌摩擦点焊过程中，以挤压注入的方式向焊缝或焊点内部补充金属材料，消除搅拌摩擦焊接过程中因搅拌头形状及焊接参数不合理引起的隧道、空洞等焊接缺陷，还可实现无倾角搅拌摩擦焊，大幅提高焊接质量和焊接效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种注入式搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头和搅拌针，其特征在于：在搅拌头和搅拌针的中心加工有一个上、下贯通的注入孔，通过一个压力执行装置从注入孔上端向孔内的焊接补偿材料施加压力，使焊接补偿材料通过注入孔的下端注入焊缝。注入孔的孔径从上端到下端收窄。搅拌针的中心处注入孔的挤出口设置在搅拌针的底部、侧面或搅拌头轴肩部位。搅拌头和搅拌针是分体结构，搅拌针通过螺纹与搅拌头连接。

搅拌摩擦焊接是金属材料在高速旋转的搅拌头的挤压和摩擦作用下塑化、充分融合从而形成牢固连接的过程，因此，焊接过程中搅拌针周围的金属材料会发生剧烈的塑性变形，随着搅拌针的旋转，前方金属被转移到后侧。如果搅拌头尺寸或者焊接参数选择不合理，就会形成塑化金属紊流，导致某些部位的金属被带走而后续材料没有及时补充，形成孔洞、隧道等缺陷，严重危害焊接质量。本发明正是针对这一问题，在整个焊接过程中持续注入补充材料，增加焊缝内塑化金属的压力，提供充足的金属用以填充孔洞、隧道，形成致密焊缝。此外，向焊缝内注入足量材料的情况下，就不必通过倾斜搅拌头来用轴肩压实焊缝，将搅拌头与焊板平面法线的角度调整为0°，从而实现无倾角搅拌摩擦焊接。采用无倾角搅拌摩擦焊技术焊接二维平面焊缝时，在焊缝转弯处不需要调节搅拌头角度，减少一道焊接工序，同时避免搅拌头调节倾角过程形成的组织缺陷，不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性。持续注入的金属会带走一部分热量，能够降低搅拌头温度，有助于形成高性能焊缝。此外，在焊接过程结束，搅拌针抽出的过程中继续注入金属填充匙孔，还可以实现无匙孔焊接，增加焊接结构件的安全性。由于有补充材料，焊接过程对焊缝间隙的容忍度能够大幅提高。

向焊缝内补充的材料的结构类似注射器的原理，利用带有挤压腔的中空式搅拌头，焊接前将金属棒料放入注入孔，孔内腔体上宽下窄，材料挤出口在搅拌针上(也可以根据实际焊接需求设置于其他位置)，焊接过程中对腔内材料施加挤压力使之注入焊缝。随着搅拌头与母材接触开始摩擦生热，挤压腔内金属温度迅速升高，据相关文献报道，铝合金焊接过程中温度可达400℃～500℃，此温度区间内铝的变形抗力很低，因此，注入过程对挤压动力的要求并不高，结构也比较简单，可以利用液压装置(或者电机驱动的压下装置等等)实现对注入材料的加压。搅拌头与搅拌针为带腔的中空结构，两者可以是一体，也可以设计成分体形式。分体情况下搅拌针和搅拌头轴肩通过螺纹实现连接，使用时将搅拌针旋入轴肩上的螺纹孔，组合成完整的搅拌头进行注入式搅拌摩擦焊接。搅拌针与搅拌头可以选用同种材质，也可以选用不同材质。向焊缝内部注入的材料可以与母材相同，也可以是其他金属材料、非金属材料、复合材料或者纤维，这样做可以起到增加焊缝强度、韧性的效果。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2～图4为本发明装置中三种搅拌头与搅拌针的结构及注入方式的示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1～4所示，该种注入式搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头1和搅拌针2，其特征在于：在搅拌头1和搅拌针2的中心加工有一个上、下贯通的注入孔3，通过一个压力执行装置4从注入孔3上端向孔内的焊接补偿材料施加压力，使焊接补偿材料通过注入孔3的下端注入焊缝。动力装置5为搅拌头提供旋转动力、平面移动动力、升降动力以及焊接参数的调节功能。

注入孔3的孔径从上端到下端收窄，搅拌头1和搅拌针(2)可以是分体结构，搅拌针2通过螺纹与搅拌头1连接，搅拌针2的中心处注入孔3的挤出口设置在搅拌针2的底部、侧面或搅拌头1轴肩部位。

焊接过程中，搅拌头2与焊缝的角度为垂直状态，搅拌头2轴肩平面与母材板面同面，压力执行装置4通过液压或机械向下挤压搅拌头1和搅拌针2注入孔隙内的材料，形成足够高的挤压力使材料从搅拌针2上的挤出口流出填充进焊缝。搅拌头1的轴肩下部焊缝内材料的压力增加，不再需要采用倾斜搅拌头的方式来依靠轴肩过量下压焊缝以保证焊缝内部的压力，从而实现无倾角搅拌摩擦焊，大幅提高平面二维焊缝的焊接效率。

挤出口在搅拌针2的底部，注入的材料进入焊缝底部，降低根部缺陷的发生率，并将压力传导至其余部分，增加焊缝致密性。挤出口在搅拌针2的侧面，注入的材料进入焊缝中部，减低焊缝中部缺陷，并将压力传导至其余部分。挤出口在搅拌头1轴肩部位或同时在底，注入材料从搅拌头1轴肩或不同部位同时进入焊缝，增加焊缝内压力，全方位消除因材料流动性不足引发的各类缺陷，还可以针对特定情况选择其他部位注入。

选择注入材料时，可根据焊缝的力学性能要求，选择与母材不同牌号的铝合金或其他金属注入焊缝，以改变焊缝的力学性能。还可以注入纤维增强相，增加焊缝强度和韧性，阻碍裂纹扩展，延长从裂纹萌生到材料断裂的时间，增加焊接结构件的安全性。

在焊接过程即将结束，搅拌针2拔出过程中，让搅拌头1继续旋转，同时调节搅拌针拔出速度和注入金属的量，让匙孔内始终保持一定的压力，直至搅拌针完全拔出，最终消除焊接匙孔，实现无匙孔搅拌摩擦焊接。

与现有技术相比，本发明装置该可以大幅降低焊缝中孔洞、隧道等缺陷的发生几率，提升焊缝力学性能。适当调节注入量，还可以实现无倾角搅拌摩擦焊，显著提升焊接效率。

Claims (4)

1.一种注入式搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头(1)和搅拌针(2)，其特征在于：在搅拌头(1)和搅拌针(2)的中心加工有一个上、下贯通的注入孔(3)，通过一个压力执行装置(4)从注入孔(3)上端向孔内的焊接补偿材料施加压力，使焊接补偿材料通过注入孔(3)的下端注入焊缝。

2.根据权利要求1所述的注入式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：注入孔(3)的孔径从上端到下端收窄。

3.根据权利要求1所述的注入式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：搅拌针(2)的中心处注入孔(3)的挤出口设置在搅拌针(2)的底部、侧面或搅拌头(1)轴肩部位。

4.根据权利要求1或3所述的注入式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：搅拌头(1)和搅拌针(2)是分体结构，搅拌针(2)通过螺纹与搅拌头(1)连接。

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