CN103028838B - 电磁塑性搅拌摩擦焊焊具及其方法 - Google Patents
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Abstract
电磁塑性搅拌摩擦焊焊具及其方法，它涉及一种搅拌摩擦焊焊具及方法，以解决现有搅拌摩擦焊接头存在残余应力，孔洞缺陷，焊接性较差的问题。焊具：2～8个条形磁铁分别设置在2～8个条形磁铁槽中，连接体与夹持孔之间设有缝隙。方法：一、将绝缘纸包裹在连接体上，将连接体装入夹持孔中，强磁铁设置在强磁铁槽中，条形磁铁设置在条形磁铁槽内；二、被焊工件对接处的两端端面处各贴有一个导电片，将外加电源的正负极分别接在两端的导电片上；三、电流大小需使通过工件的电流密度大于电致塑性的临界值106A/m2，工件电阻热功率控制在100W以下，四、电磁塑性搅拌摩擦焊。本发明用于铝合金、镁合金、铜合金以及异种材料的搅拌摩擦焊接中。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊焊具及方法，具体涉及一种用于电流辅助搅拌摩擦焊的绝缘焊具及利用该焊具实现的电磁塑性搅拌摩擦焊的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所(The WeldingInstitute，TWI)发明以来，由于其具有焊接变形小、残余应力小，接头质量好、焊缝为细晶锻造组织结构，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时具有焊接操作简单、便于自动化焊接、焊接效率高等特点，搅拌摩擦焊已经在航天、航空、造船、列车、汽车、电力等多个工业制造领域得到广泛应用。虽然搅拌摩擦焊有诸多优点，然而搅拌摩擦焊接头仍存在残余应力，使接头耐应力腐蚀性能降低，同时接头表层孔洞的产生也会降低接头力学性能。同时搅拌摩擦焊对材料要求较高，焊接性较差，难以焊接高强钢以及钛合金，所得到的接头塑性较低，容易产生焊接裂纹。在金属塑性变形时，如果在材料变形方向辅助以电流，电流会对运动的位错施加电子风力作用，从而促进位错的运动及促进材料塑性变形，这个现象称为电塑性现象。电致塑性主要应用于超塑性领域，国外已有相关研究表明，电致塑性效应可有效降低变形工件残余应力，减少孔洞缺陷，同时亦可细化晶粒，提高材料塑性与强度。同时电流密度存在临界值，约为106A/m2，只有超过临界值，电子风力才可以有效推动位错运动。
发明内容
本发明的目的是为解决现有搅拌摩擦焊接头存在残余应力，孔洞缺陷，焊接性较差的问题，提供一种电磁塑性搅拌摩擦焊焊具及其方法。
电磁塑性搅拌摩擦焊焊具包括夹持体、搅拌体、强磁铁和2～8个条形磁铁，所述夹持体由上圆柱体和下圆柱体组成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体与下圆柱体上、下同轴设置且制成一体，上圆柱体的外表面上设有焊具夹持面，下圆柱体的外表面上设有至少一个环形隔热槽，所述下圆柱体的下端面轴心处设有夹持孔，夹持孔对应的下圆柱体侧壁上设有垂直于下圆柱体轴线的螺纹通孔，搅拌体由搅拌针、搅拌针座、条形磁铁座和连接体组成，连接体、条形磁铁座、搅拌针座和搅拌针由上至下依次同轴设置且制成一体，连接体的直径小于条形磁铁座的直径，搅拌针和搅拌针座均为锥形体，且锥形体的小直径端朝下，连接体的外表面上对称设有搅拌针夹持面，连接体的上端面的轴心处设有强磁铁槽，条形磁铁座的外表面上沿同一圆周均布设有2～8个条形磁铁槽，强磁铁设置在强磁铁槽中，2～8个条形磁铁分别设置在2～8个条形磁铁槽中，连接体设置在夹持孔中，且搅拌针夹持面与螺纹通孔正对，连接体与夹持孔之间设有缝隙。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、安装焊具：将绝缘纸包裹在连接体上，将连接体装入夹持孔中，将强磁铁安装在强磁铁槽中，条形磁铁分别设置在条形磁铁槽内；
步骤二、施加电流：被焊工件对接处的两端端面处各贴有一个导电片，将外加电源的正负极分别接在两端的导电片上，电流方向应与搅拌摩擦焊接方向一致；
步骤三、电流大小确定：所选定电流大小需使通过工件的电流密度大于电致塑性的临界值106A/m2，同时将工件电阻热功率控制在100W以下，
设被焊工件长lm、宽am、厚bm，则电流最小值为106abA，
设工件电阻率为ρ，电流占空比为k，根据公式R＝ρl/ab算得工件电阻，则工件电阻热功率P＝kI2R，电流最大值不得使工件电阻热功率大于100W，则电流最大值为(100ab/lρk)1/2；
步骤四、选取搅拌头转速与焊速：当电流取上限时，搅拌头转速为300rmp～1200rmp、焊速为0.3m/min～1.6m/min，当电流为下限时，搅拌头转速为600rmp～1500rmp、焊速为0.1m/min～0.8m/min。
本发明具有以下优点：一、电磁塑性搅拌摩擦焊与搅拌摩擦焊一样，同属于固相连接，焊接过程中不出现金属熔化，焊缝残余应力低、工件变形小，电磁辅助提高了材料塑性，进而提高了材料搅拌摩擦焊的焊接性，有利于消除焊接缺陷，提高接头的性能，延长其使用寿命。二、利用本发明的焊具使用十分灵活，搅拌体可拆卸，便于焊接不同尺寸厚度铝板，满足不同的工艺需求。三、本发明方法与电阻热辅助搅拌摩擦焊不同，本方法严格限制电阻热作用，利用内部的电子风力作用对位错运动产生促进作用，从而提高材料塑性。本发明方法在电致塑性原理基础上，进一步增加旋转磁场。而对于旋转磁场来说，其中的旋转磁场作用于脉冲电流，使电子风力取向瞬时多样化，从而最大程度的推动位错滑动，对位错堆积，阻塞，缠结的改善作用远远大于脉冲电流的定向电子风力作用。同时，引入电磁场，可降低电流所需临界值，使电塑性效果更明显。同时，磁场不断变化的，在铝合金塑性变形过程中，会产生涡流，由于磁场高速旋转变化，产生的涡流方向亦瞬时改变，由涡流产生的电子风力对位错的作用比定向脉冲电流理想。综上所述，旋转变化磁场对塑性变形有着双重作用，在对电流产生磁场力的作用同时，感应出涡流，不断变化的涡流与电子风力一起，共同作用与位错的滑移运动。电磁结合作用下的电子风力是瞬时改变，可以使位错沿着取向最优的滑移面滑移。
附图说明
图1是本发明电磁塑性搅拌摩擦焊焊具的整体结构主剖视图；图2是夹持体1的结构主剖视图；图3是搅拌体2的结构主剖视图；图4是搅拌针2-1和搅拌针座2-2的结构主视图；图5是电磁塑性搅拌摩擦焊接过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括夹持体1、搅拌体2、强磁铁3和2～8个条形磁铁4，所述夹持体1由上圆柱体1-1和下圆柱体1-2组成，上圆柱体1-1的直径小于下圆柱体1-2的直径，上圆柱体1-1与下圆柱体1-2上、下同轴设置且制成一体，上圆柱体1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，下圆柱体1-2的外表面上设有至少一个环形隔热槽1-2-1，所述下圆柱体1-2的下端面轴心处设有夹持孔1-2-2，夹持孔1-2-2对应的下圆柱体1-2侧壁上设有垂直于下圆柱体1-2轴线的螺纹通孔1-2-3，搅拌体2由搅拌针2-1、搅拌针座2-2、条形磁铁座2-3和连接体2-4组成，连接体2-4、条形磁铁座2-3、搅拌针座2-2和搅拌针2-1由上至下依次同轴设置且制成一体，连接体2-4的直径小于条形磁铁座2-3的直径，搅拌针2-1和搅拌针座2-2均为锥形体，且锥形体的小直径端朝下，连接体2-4的外表面上对称设有搅拌针夹持面2-4-1，连接体2-4的上端面的轴心处设有强磁铁槽2-4-2，条形磁铁座2-3的外表面上沿同一圆周均布设有2～8个条形磁铁槽2-3-1，强磁铁3设置在强磁铁槽2-4-2中，2～8个条形磁铁4分别设置在2～8个条形磁铁槽2-3-1中，连接体2-4设置在夹持孔1-2-2中，且搅拌针夹持面2-4-1与螺纹通孔1-2-3正对，连接体2-4与夹持孔1-2-2之间设有缝隙1-2-4。
具体实施方式二：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的条形磁铁槽2-3-1的数量与条形磁铁4的数量相同。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的条形磁铁4的数量为4个。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的条形磁铁4的数量为6个。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式的缝隙1-2-4为1.5mm～3mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：本实施方式的夹持体1的材质为高速钢。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1和图5具体说明本实施方式的实现步骤：
步骤一、安装焊具：将绝缘纸包裹在连接体2-4上，将连接体2-4装入夹持孔1-2-2中，绝缘纸或绝缘介质可以保证施加电流过程中不对焊机造成干扰与损害；将强磁铁3安装在强磁铁槽2-4-2中，条形磁铁4分别设置在条形磁铁槽2-3-1内，强磁铁3的设置使得在焊具旋转过程中产生旋转磁场，旋转磁场作用于脉冲电流，使电子风力取向瞬时多样化，降低电流所需临界值，使电塑性效果更明显，从而推动位错滑动；
步骤二、施加电流：被焊工件对接处的两端端面处各贴有一个导电片5，将外加电源6的正负极分别接在两端的导电片5上，电流方向应与搅拌摩擦焊接方向一致；以保证电子风力对位错产生最大的作用，从而最大程度提高材料塑性与强度；
步骤三、电流大小确定：所选定电流大小需使通过工件的电流密度大于电致塑性的临界值106A/m2，同时将工件电阻热功率控制在100W以下，以避免过强的热效应对材料性能产生不良影响；
设被焊工件长lm、宽am、厚bm，则电流最小值为106abA，
设工件电阻率为ρ，电流占空比为k，根据公式R＝ρl/ab算得工件电阻，则工件电阻热功率P＝kI2R，电流最大值不得使工件电阻热功率大于100W，则电流最大值为(100ab/lρk)1/2；
例如：被焊工件为铝板，假设被焊工件长1000mm、宽200mm、厚3mm，则电流最小值为600A，搅拌摩擦焊接环境温度约为400℃～500℃，其电阻率ρ约为9×10-5Ω·mm，假设电流占空比为50％，则根据公式(100ab/lρk)1/2算得电流最大值为1154A。根据工件材质尺寸不同，可按上述公式计算相应电流大小。
步骤四、选取搅拌头转速与焊速：当电流取上限(电流最大值)时，搅拌头转速为300rmp～1200rmp、焊速为0.3m/min～1.6m/min，当电流为下限(电流最小值)时，搅拌头转速为600rmp～1500rmp、焊速为0.1m/min～0.8m/min。搅拌头转速越大，内置旋转磁场对电流的作用越强，但同时应注意转速过高时，旋转磁场会产生涡流加热效应。电流较大时，电子风力作用较强，材料变形容易，可焊性提高，搅拌头转速可选择范围较大，但同时应注意避免热效应过强，可采取提高焊速降低转速的方法。
具体实施方式八：结合图5说明本实施方式，本实施方式为步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为500rmp、焊速为1.5m/min，电流取下限时，搅拌头转速为800rmp、焊速为0.6m/min。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图5说明本实施方式，本实施方式为步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为800rmp、焊速为0.8m/min，电流取下限时，搅拌头转速为1000rmp、焊速为0.5m/min。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：结合图5说明本实施方式，本实施方式为步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为1000rmp、焊速为0.5m/min，电流取下限时，搅拌头转速为1200rmp、焊速为0.3m/min。其它步骤与具体实施方式七相同。
Claims (10)
1.一种电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，所述焊具包括夹持体(1)、搅拌体(2)、强磁铁(3)和2～8个条形磁铁(4)，所述夹持体(1)由上圆柱体(1-1)和下圆柱体(1-2)组成，上圆柱体(1-1)的直径小于下圆柱体(1-2)的直径，上圆柱体(1-1)与下圆柱体(1-2)上、下同轴设置且制成一体，上圆柱体(1-1)的外表面上设有焊具夹持面(1-1-1)，下圆柱体(1-2)的外表面上设有至少一个环形隔热槽(1-2-1)，其特征在于：所述下圆柱体(1-2)的下端面轴心处设有夹持孔(1-2-2)，夹持孔(1-2-2)对应的下圆柱体(1-2)侧壁上设有垂直于下圆柱体(1-2)轴线的螺纹通孔(1-2-3)，搅拌体(2)由搅拌针(2-1)、搅拌针座(2-2)、条形磁铁座(2-3)和连接体(2-4)组成，连接体(2-4)、条形磁铁座(2-3)、搅拌针座(2-2)和搅拌针(2-1)由上至下依次同轴设置且制成一体，连接体(2-4)的直径小于条形磁铁座(2-3)的直径，搅拌针(2-1)和搅拌针座(2-2)均为锥形体，且锥形体的小直径端朝下，连接体(2-4)的外表面上对称设有搅拌针夹持面(2-4-1)，连接体(2-4)的上端面的轴心处设有强磁铁槽(2-4-2)，条形磁铁座(2-3)的外表面上沿同一圆周均布设有2～8个条形磁铁槽(2-3-1)，强磁铁(3)设置在强磁铁槽(2-4-2)中，2～8个条形磁铁(4)分别设置在2～8个条形磁铁槽(2-3-1)中，连接体(2-4)设置在夹持孔(1-2-2)中，且搅拌针夹持面(2-4-1)与螺纹通孔(1-2-3)正对，连接体(2-4)与夹持孔(1-2-2)之间设有缝隙(1-2-4)。
2.根据权利要求1所述电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述条形磁铁槽(2-3-1)的数量与条形磁铁(4)的数量相同。
3.根据权利要求2所述电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述条形磁铁(4)的数量为4个。
4.根据权利要求2所述电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述条形磁铁(4)的数量为6个。
5.根据权利要求1或2所述电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述缝隙(1-2-4)为1.5mm～3mm。
6.根据权利要求5所述电磁塑性搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述夹持体(1)的材质为高速钢。
7.一种利用权利要求1所述焊具实现电磁塑性搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、安装焊具：将绝缘纸包裹在连接体(2-4)上，将连接体(2-4)装入夹持孔(1-2-2) 中，将强磁铁(3)安装在强磁铁槽(2-4-2)中，条形磁铁(4)分别设置在条形磁铁槽(2-3-1)内；
步骤二、施加电流：被焊工件对接处的两端端面处各贴有一个导电片(5)，将外加电源(6)的正负极分别接在两端的导电片(5)上，电流方向应与搅拌摩擦焊接方向一致；
步骤三、电流大小确定：所选定电流大小需使通过工件的电流密度大于电致塑性的临界值106A/m2，同时将工件电阻热功率控制在100W以下，
设被焊工件长lm、宽am、厚bm，则电流最小值为106abA，
设工件电阻率为ρ，电流占空比为k，根据公式R＝ρl/ab算得工件电阻，则工件电阻热功率P＝kI2R，电流最大值不得使工件电阻热功率大于100W，则电流最大值为(100ab/lρk)1/2；
步骤四、选取搅拌头转速与焊速：当电流取上限时，搅拌头转速为300rmp～1200rmp、焊速为0.3m/min～1.6m/min，当电流为下限时，搅拌头转速为600rmp～1500rmp、焊速为0.1m/min～0.8m/min。
8.根据权利要求7所述电磁塑性搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为500rmp、焊速为1.5m/min，电流取下限时，搅拌头转速为800rmp、焊速为0.6m/min。
9.根据权利要求7所述电磁塑性搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为800rmp、焊速为0.8m/min，电流取下限时，搅拌头转速为1000rmp、焊速为0.5m/min。
10.根据权利要求7所述电磁塑性搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤四中的电流取上限时，搅拌头转速为1000rmp、焊速为0.5m/min，电流取下限时，搅拌头转速为1200rmp、焊速为0.3m/min。
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