CN104475967B - 一种真空搅拌摩擦焊接装置及金属复合板制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空搅拌摩擦焊接装置及金属复合板制备方法，打破传统金属复合板制备方式，在高真空环境下通过搅拌摩擦焊方式实现难焊接金属材料的焊接，本发明与传统的金属复合板制备方法相比，是在真空搅拌摩擦焊接装置内完成焊缝的焊接，在封装制坯过程中有效改善接头焊缝质量，且组合坯在经过加热和轧制后可以牢固结合，能够有效避免复合界面氧化，保证金属复合板的界面结合强度。本发明的真空搅拌摩擦焊接装置通过三组滑块-滑轨机构、三组丝杠-丝母机构及三组驱动电机，满足了焊前及焊中搅拌摩擦焊机位置的调整，通过电动蜗轮蜗杆机构及水平旋转台，满足了一次真空封装即可完成金属板四面焊缝的焊接，进而实现了难焊接金属材料的金属复合板的制备。
Description
技术领域
本发明属于金属复合板制备技术领域，特别是涉及一种真空搅拌摩擦焊接装置，及利用真空搅拌摩擦焊接装置制备金属复合板的方法。
背景技术
20世纪80年代，日本的川崎重工发明了真空制坯轧制复合技术，主要用于制备异质金属复合板和同质金属复合板。
但是，在实际应用真空制坯轧制复合技术制备金属复合板时，发现对金属板复合界面的电子束焊接封装仍然存在很大的局限性，尤其对于一些特殊的难焊接金属材料，仍然难以进行有效的复合。例如，核工业中广泛应用的Cr-Mo耐热合金特厚板(碳当量≥0.6)以及Cr-Mo高合金钢/低合金钢的异质金属复合板，航空航天工业中广泛应用的铝合金、镁合金复合板以及电力行业中应用潜力巨大的铝合金/纯铜复合板，其中，由于Cr-Mo合金钢的碳当量极高，电子束焊的接头将产生极严重的冷裂倾向。对于铝、镁合金等轻质金属，由于其较高的导热率，电子束焊的接头易产生大量的气孔和裂纹，焊接性能较差。此外，在铝合金与镁合金、铝合金与纯铜或黄铜的复合界面之间，电子束焊的接头还容易生成大量的脆性金属间化合物，极大降低了焊缝的力学性能。
因此，亟需一种可以在封装制坯过程中有效改善接头焊缝质量的设备和方法，满足合金钢、铝合金、镁合金、铜合金等金属复合板的制备。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种真空搅拌摩擦焊接装置及金属复合板制备方法，能够实现难焊接金属材料的有效复合，有效改善接头焊缝质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种真空搅拌摩擦焊接装置，包括抽真空设备、真空室、搅拌摩擦焊机及工件夹具，所述抽真空设备通过真空室上的真空抽气孔与真空室内部连通，所述搅拌摩擦焊机位于真空室内，并安装于真空室一侧内壁上，且搅拌摩擦焊机与真空室内壁滑动连接；所述工件夹具位于真空室内，并竖直安装于真空室底板上，且工件夹具与真空室底板滑动连接。
在所述真空室一侧内壁上固定安装有两条相平行的X轴滑轨，且X轴滑轨水平设置，在两条X轴滑轨上分别安装有X轴滑块，及与X轴滑块固定连接的X轴安装板，在X轴安装板背面安装有两条相平行的Z轴滑轨，且Z轴滑轨竖直设置，在两条Z轴滑轨上分别安装有Z轴滑块，及与Z轴滑块固定连接的Z轴安装板，所述搅拌摩擦焊机固定安装在Z轴安装板背面。
在所述X轴安装板正面安装有X轴丝母座，在X轴丝母座内穿装有X轴丝杠，且X轴丝杠平行于X轴滑轨，在X轴丝杠一端连接有X轴驱动电机。
在所述Z轴安装板正面安装有Z轴丝母座，在Z轴丝母座内穿装有Z轴丝杠，且Z轴丝杠平行于Z轴滑轨，在Z轴丝杠一端连接有Z轴驱动电机。
所述工件夹具包括主框架、上夹板、下夹板及升降顶紧机构，所述主框架由顶板、底板及板间立柱组成，所述上夹板连接在主框架顶板上，下夹板通过升降顶紧机构安装在主框架底板上；在所述真空室底板上固定安装有两条相平行的Y轴滑轨，Y轴滑轨水平设置且垂直于X轴滑轨、Z轴滑轨，在两条Y轴滑轨上分别安装有Y轴滑块，Y轴滑块固定连接于主框架底板上。
在所述主框架底板背面安装有Y轴丝母座，在Y轴丝母座内穿装有Y轴丝杠，且Y轴丝杠平行于Y轴滑轨，在Y轴丝杠一端连接有Y轴驱动电机。
在所述主框架顶板上设置有电动蜗轮蜗杆机构，电动蜗轮蜗杆机构的蜗轮轴一端通过主框架顶板的中心通孔与上夹板中心相固连；在所述下夹板与升降顶紧机构之间安装有水平旋转台。
在所述真空室上还设置有观察窗，且真空室的封闭门采用电动封闭门。
采用所述的真空搅拌摩擦焊接装置制备金属复合板的方法，包括如下步骤：
步骤一：对待复合金属板的待复合表面及焊缝所在的四个侧面进行氧化膜及污物的去除；
步骤二：将待复合金属板的待复合表面彼此相对叠合在一起，且四周对齐后再放置到工件夹具的下夹板上；
步骤三：启动升降顶紧机构，使待复合金属板牢靠的夹紧于上夹板与下夹板之间；
步骤四：在X轴驱动电机及Z轴驱动电机驱动下，对搅拌摩擦焊机的初始位置进行调整，使搅拌摩擦焊机的搅拌头处于焊接起焊点；
步骤五：关闭真空室的封闭门，然后对真空室进行抽真空，使真空室内的气压≤0.1Pa，然后启动搅拌摩擦焊机；
步骤六：在Y轴驱动电机驱动下，使工件夹具移动并靠近搅拌摩擦焊机，并使搅拌摩擦焊机搅拌头插入金属板复合界面，然后在X轴驱动电机驱动下，完成一条焊缝的焊接；
步骤七：在Y轴驱动电机驱动下，使工件夹具退回到初始位置，搅拌头从金属板复合界面内退出，再通过X轴驱动电机控制搅拌摩擦焊机回到初始位置，进而使搅拌摩擦焊机搅拌头回到焊接起焊点；
步骤八：启动电动蜗轮蜗杆机构，使蜗轮转动90°，在蜗轮轴带动下使上夹板、金属板及下夹板绕水平旋转台中心旋转90°；
步骤九：依次按照步骤六、七完成第二条焊缝的焊接；
步骤十：依次按照步骤八、六、七完成第三条及第四条焊缝的焊接；
步骤十一：将焊接封装完成后的金属板组合坯从真空室内取出，送入电阻炉中加热并保温，最后将加热后的金属板组合坯通过轧机进行轧制，最终完成金属复合板的制备。
当金属板为同质或异质铝合金、同质或异质镁合金、镁合金/铝合金、铝合金/纯铜、铝合金/铜锌合金时，其组合坯在电阻炉中的加热温度为350～550℃，保温时间为0.5～3小时，其组合坯通过轧机进行轧制时，轧制温度为300～500℃，轧制速度为0.3～2m/s，总压下率为30～85％，第一道次压下率为5～40％；当金属板为高、低合金钢时，其组合坯在电阻炉中的加热温度为900～1200℃，保温时间为0.5～3小时，其组合坯通过轧机进行轧制时，轧制温度为850～1150℃，轧制速度为0.3～2m/s，总压下率为30～85％，第一道次压下率为5～40％。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比，打破传统金属复合板的制备方式，提供了一种在高真空环境下通过搅拌摩擦焊方式实现难焊接金属材料焊接的设备和方法，可以在封装制坯过程中有效改善接头焊缝质量，组合坯在经过加热和轧制后可以牢固结合，能够有效避免复合界面氧化，保证金属复合板的界面结合强度，最终实现难焊接金属材料的金属复合板的制备。
附图说明
图1为本发明的一种真空搅拌摩擦焊接装置结构示意图；
图2为图1的右视图；
图3为图1的俯视图；
图中，1—抽真空设备，2—真空室，3—搅拌摩擦焊机，4—X轴滑轨，5—X轴滑块，6—X轴安装板，7—Z轴滑轨，8—Z轴滑块，9—Z轴安装板，10—X轴丝母座，11—X轴丝杠，12—X轴驱动电机，13—Z轴丝母座，14—Z轴丝杠，15—Z轴驱动电机，16—主框架，17—上夹板，18—下夹板，19—升降顶紧机构，20—Y轴滑轨，21—Y轴滑块，22—Y轴丝母座，23—Y轴丝杠，24—Y轴驱动电机，25—电动蜗轮蜗杆机构，26—水平旋转台，27—金属板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1、2、3所示，一种真空搅拌摩擦焊接装置，包括抽真空设备1、真空室2、搅拌摩擦焊机3及工件夹具，所述抽真空设备1通过真空室2上的真空抽气孔与真空室2内部连通，所述搅拌摩擦焊机3位于真空室2内，并安装于真空室2一侧内壁上，且搅拌摩擦焊机3与真空室2内壁滑动连接；所述工件夹具位于真空室2内，并竖直安装于真空室2底板上，且工件夹具与真空室2底板滑动连接。
在所述真空室2一侧内壁上固定安装有两条相平行的X轴滑轨4，且X轴滑轨4水平设置，在两条X轴滑轨4上分别安装有X轴滑块5，及与X轴滑块5固定连接的X轴安装板6，在X轴安装板6背面安装有两条相平行的Z轴滑轨7，且Z轴滑轨7竖直设置，在两条Z轴滑轨7上分别安装有Z轴滑块8，及与Z轴滑块8固定连接的Z轴安装板9，所述搅拌摩擦焊机3固定安装在Z轴安装板9背面。
在所述X轴安装板6正面安装有X轴丝母座10，在X轴丝母座10内穿装有X轴丝杠11，且X轴丝杠11平行于X轴滑轨4，在X轴丝杠11一端连接有X轴驱动电机12。
在所述Z轴安装板9正面安装有Z轴丝母座13，在Z轴丝母座13内穿装有Z轴丝杠14，且Z轴丝杠14平行于Z轴滑轨7，在Z轴丝杠14一端连接有Z轴驱动电机15。
所述工件夹具包括主框架16、上夹板17、下夹板18及升降顶紧机构19，所述主框架16由顶板、底板及板间立柱组成，所述上夹板17连接在主框架16顶板上，下夹板18通过升降顶紧机构19安装在主框架16底板上；在所述真空室2底板上固定安装有两条相平行的Y轴滑轨20，Y轴滑轨20水平设置且垂直于X轴滑轨4、Z轴滑轨7，在两条Y轴滑轨20上分别安装有Y轴滑块21，Y轴滑块21固定连接于主框架16底板上。
在所述主框架16底板背面安装有Y轴丝母座22，在Y轴丝母座22内穿装有Y轴丝杠23，且Y轴丝杠23平行于Y轴滑轨20，在Y轴丝杠23一端连接有Y轴驱动电机24。
在所述主框架16顶板上设置有电动蜗轮蜗杆机构25，电动蜗轮蜗杆机构25的蜗轮轴一端通过主框架16顶板的中心通孔与上夹板17中心相固连；在所述下夹板18与升降顶紧机构19之间安装有水平旋转台26。
在所述真空室2上还设置有观察窗，且真空室2的封闭门采用电动封闭门。
下面结合附图说明本发明的一次使用过程：
实施例1
本实施例中，金属板27为两块7075铝合金板，其尺寸为500mm×200mm×30mm，搅拌摩擦焊机3的搅拌头旋转中心线与Y轴滑轨20呈5°夹角。
采用所述的真空搅拌摩擦焊接装置制备金属复合板的方法，包括如下步骤：
步骤一：对两块金属板27的待复合表面及焊缝所在的四个侧面进行氧化膜及污物的去除；
步骤二：将两块金属板27的待复合表面彼此相对叠合在一起，四周对齐后再放置到工件夹具的下夹板18上；
步骤三：启动升降顶紧机构19，使待复合的金属板27牢靠的夹紧于上夹板17与下夹板18之间；
步骤四：在X轴驱动电机12及Z轴驱动电机15驱动下，对搅拌摩擦焊机3的初始位置进行调整，使搅拌摩擦焊机3的搅拌头处于焊接起焊点；
步骤五：关闭真空室2的封闭门，然后对真空室2进行抽真空，使真空室2内的气压达到0.01Pa，然后启动搅拌摩擦焊机3；
步骤六：在Y轴驱动电机驱动24下，使工件夹具移动并靠近搅拌摩擦焊机3，并使搅拌摩擦焊机3搅拌头插入金属板27复合界面，然后在X轴驱动电机12驱动下，完成一条焊缝的焊接，其中，搅拌头的转速为1000rpm，焊接速度为300mm/min，焊缝深度为15mm；
步骤七：在Y轴驱动电机24驱动下，使工件夹具退回到初始位置，搅拌头从金属板27复合界面内退出，再通过X轴驱动电机12控制搅拌摩擦焊机3回到初始位置，进而使搅拌摩擦焊机3搅拌头回到焊接起焊点；
步骤八：启动电动蜗轮蜗杆机构25，使蜗轮顺时针转动90°，在蜗轮轴带动下使上夹板17、金属板27及下夹板18绕水平旋转台26中心顺时针旋转90°；
步骤九：依次按照步骤六、七完成第二条焊缝的焊接；
步骤十：依次按照步骤八、六、七完成第三条及第四条焊缝的焊接；
步骤十一：将焊接封装完成后的金属板27组合坯从真空室2内取出，送入电阻炉中加热并保温，加热温度为450℃，保温时间为30分钟，最后将加热后的金属板27组合坯通过轧机进行轧制，轧制温度为420℃，轧制速度为0.5m/s，总压下率为80％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为2500mm×200mm×12mm的铝合金复合板，经检测，该复合板的复合界面Z向拉伸强度达到530MPa。
实施例2
本实施例中，金属板27为两块AZ80镁合金板，其尺寸为500mm×300mm×40mm。
AZ80镁合金板的复合板制备方法同实施例1，但是，真空室2内的真空压为0.03Pa；焊缝焊接时，搅拌头的转速为1500rpm，焊接速度为100mm/min，焊缝深度为25mm；AZ80镁合金板组合坯在电阻炉中的加热温度为370℃，保温时间为30分钟；在AZ80镁合金板组合坯轧制时，轧制温度为340℃，轧制速度为0.7m/s，总压下率为60％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为2500mm×200mm×32mm的镁合金复合板，经检测，该复合板的复合界面Z向拉伸强度达到280MPa。
实施例3
本实施例中，金属板27为两块15CrMoR耐高温合金钢板，其碳当量为0.65，其尺寸为500mm×200mm×40mm。
15CrMoR耐高温合金钢板的复合板制备方法同实施例1，但是，真空室2内的真空压为0.05Pa；焊缝焊接时，搅拌头的转速为500rpm，焊接速度为100mm/min，焊接深度为10mm；15CrMoR耐高温合金钢板组合坯在电阻炉中的加热温度为1200℃，保温时间为60分钟；在15CrMoR耐高温合金钢板组合坯轧制时，轧制温度为1150℃，轧制速度为1m/s，总压下率为50％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为1000mm×200mm×40mm的复合钢板，经检测，该复合钢板的复合界面Z向拉伸强度达到530MPa。
实施例4
本实施例中，金属板27为一块15CrMoR耐高温合金钢板及一块Q345钢板，两者尺寸均为500mm×200mm×30mm。
15CrMoR耐高温合金钢板与Q345钢板的复合板制备方法同实施例1，但是，真空室2内的真空压为0.03Pa；焊缝焊接时，搅拌头的转速为600rpm，焊接速度为120mm/min，焊缝深度为14mm；15CrMoR耐高温合金钢板与Q345钢板的组合坯在电阻炉中的加热温度为1200℃，保温时间为60分钟；在15CrMoR耐高温合金钢板与Q345钢板的组合坯轧制时，轧制温度为1150℃，轧制速度为1m/s，总压下率为60％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为1250mm×200mm×24mm的复合钢板，经检测，该复合钢板的复合界面Z向拉伸强度达到470MPa。
实施例5
本实施例中，金属板27为一块AZ80镁合金板及一块7075铝合金板，两者尺寸均为500mm×200mm×30mm。
AZ80镁合金板与7075铝合金板的复合板制备方法同实施例1，但是，真空室2内的真空压为0.06Pa；焊缝焊接时，搅拌头的转速为1500rpm，焊接速度为300mm/min，焊缝深度为13mm；AZ80镁合金板与7075铝合金板的组合坯在电阻炉中的加热温度为350℃，保温时间为60分钟；在AZ80镁合金板与7075铝合金板的组合坯轧制时，轧制温度为330℃，轧制速度为1m/s，总压下率为50％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为1000mm×200mm×30mm的铝合金/镁合金复合板，经检测，该复合板的复合界面Z向拉伸强度达到210MPa。
实施例6
本实施例中，金属板27为一块6061铝合金板及一块T3纯铜板，两者尺寸均为500mm×200mm×20mm。
6061铝合金板与T3纯铜板的复合板制备方法同实施例1，但是，真空室2内的真空压为0.02Pa；焊缝焊接时，搅拌头的转速为1000rpm，焊接速度为200mm/min，焊缝深度为20mm；6061铝合金板与T3纯铜板的组合坯在电阻炉中的加热温度为270℃，保温时间为60分钟；在6061铝合金板与T3纯铜板的组合坯轧制时，轧制温度为240℃，轧制速度为1m/s，总压下率为50％，第一道次压下率为20％，最终获得尺寸为1000mm×200mm×20mm的铝合金/T3纯铜复合板，经检测，该复合板的复合界面Z向拉伸强度达到220MPa。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。
Claims (9)
1.一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括抽真空设备、真空室、搅拌摩擦焊机及工件夹具，所述抽真空设备通过真空室上的真空抽气孔与真空室内部连通，所述搅拌摩擦焊机位于真空室内，并安装于真空室一侧内壁上，且搅拌摩擦焊机与真空室内壁滑动连接；所述工件夹具位于真空室内，并竖直安装于真空室底板上，且工件夹具与真空室底板滑动连接；在所述真空室一侧内壁上固定安装有两条相平行的X轴滑轨，且X轴滑轨水平设置，在两条X轴滑轨上分别安装有X轴滑块，及与X轴滑块固定连接的X轴安装板，在X轴安装板背面安装有两条相平行的Z轴滑轨，且Z轴滑轨竖直设置，在两条Z轴滑轨上分别安装有Z轴滑块，及与Z轴滑块固定连接的Z轴安装板，所述搅拌摩擦焊机固定安装在Z轴安装板背面。
2.根据权利要求1所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在所述X轴安装板正面安装有X轴丝母座，在X轴丝母座内穿装有X轴丝杠，且X轴丝杠平行于X轴滑轨，在X轴丝杠一端连接有X轴驱动电机。
3.根据权利要求1所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在所述Z轴安装板正面安装有Z轴丝母座，在Z轴丝母座内穿装有Z轴丝杠，且Z轴丝杠平行于Z轴滑轨，在Z轴丝杠一端连接有Z轴驱动电机。
4.根据权利要求1所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述工件夹具包括主框架、上夹板、下夹板及升降顶紧机构，所述主框架由顶板、底板及板间立柱组成，所述上夹板连接在主框架顶板上，下夹板通过升降顶紧机构安装在主框架底板上；在所述真空室底板上固定安装有两条相平行的Y轴滑轨，Y轴滑轨水平设置且垂直于X轴滑轨、Z轴滑轨，在两条Y轴滑轨上分别安装有Y轴滑块，Y轴滑块固定连接于主框架底板上。
5.根据权利要求4所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在所述主框架底板背面安装有Y轴丝母座，在Y轴丝母座内穿装有Y轴丝杠，且Y轴丝杠平行于Y轴滑轨，在Y轴丝杠一端连接有Y轴驱动电机。
6.根据权利要求4所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在所述主框架顶板上设置有电动蜗轮蜗杆机构，电动蜗轮蜗杆机构的蜗轮轴一端通过主框架顶板的中心通孔与上夹板中心相固连；在所述下夹板与升降顶紧机构之间安装有水平旋转台。
7.根据权利要求1所述的一种真空搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在所述真空室上还设置有观察窗，且真空室的封闭门采用电动封闭门。
8.采用权利要求1所述的真空搅拌摩擦焊接装置制备金属复合板的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：对待复合金属板的待复合表面及焊缝所在的四个侧面进行氧化膜及污物的去除；
步骤二：将待复合金属板的待复合表面彼此相对叠合在一起，且四周对齐后再放置到工件夹具的下夹板上；
步骤三：启动升降顶紧机构，使待复合金属板牢靠的夹紧于上夹板与下夹板之间；
步骤四：在X轴驱动电机及Z轴驱动电机驱动下，对搅拌摩擦焊机的初始位置进行调整，使搅拌摩擦焊机的搅拌头处于焊接起焊点；
步骤五：关闭真空室的封闭门，然后对真空室进行抽真空，使真空室内的气压≤0.1Pa，然后启动搅拌摩擦焊机；
步骤六：在Y轴驱动电机驱动下，使工件夹具移动并靠近搅拌摩擦焊机，并使搅拌摩擦焊机搅拌头插入金属板复合界面，然后在X轴驱动电机驱动下，完成一条焊缝的焊接；
步骤七：在Y轴驱动电机驱动下，使工件夹具退回到初始位置，搅拌头从金属板复合界面内退出，再通过X轴驱动电机控制搅拌摩擦焊机回到初始位置，进而使搅拌摩擦焊机搅拌头回到焊接起焊点；
步骤八：启动电动蜗轮蜗杆机构，使蜗轮转动90°，在蜗轮轴带动下使上夹板、金属板及下夹板绕水平旋转台中心旋转90°；
步骤九：依次按照步骤六、七完成第二条焊缝的焊接；
步骤十：依次按照步骤八、六、七完成第三条及第四条焊缝的焊接；
步骤十一：将焊接封装完成后的金属板组合坯从真空室内取出，送入电阻炉中加热并保温，最后将加热后的金属板组合坯通过轧机进行轧制，最终完成金属复合板的制备。
9.根据权利要求8所述的制备金属复合板的方法，其特征在于：当金属板为同质或异质铝合金、同质或异质镁合金、镁合金/铝合金、铝合金/纯铜、铝合金/铜锌合金时，其组合坯在电阻炉中的加热温度为350～550℃，保温时间为0.5～3小时，其组合坯通过轧机进行轧制时，轧制温度为300～500℃，轧制速度为0.3～2m/s，总压下率为30～85％，第一道次压下率为5～40％；当金属板为高、低合金钢时，其组合坯在电阻炉中的加热温度为900～1200℃，保温时间为0.5～3小时，其组合坯通过轧机进行轧制时，轧制温度为850～1150℃，轧制速度为0.3～2m/s，总压下率为30～85％，第一道次压下率为5～40％。
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