CN104722914A - 一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法 - Google Patents

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赵俊敏
王清
张鹏
李宁
王薛涛
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Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法，包括电机、搅拌肩、搅拌头、超声装置，所述超声装置包括依次连接的超声波发生器、换能器、变幅杆，所述搅拌肩中心位置设有通孔，所述通孔的直径大于所述搅拌头的直径，所述搅拌头穿过所述通孔，所述电机为2台，所述搅拌头和搅拌肩分别与所述电机活动连接，所述变幅杆与所述搅拌肩固定连接，所述超声装置还包括频率跟踪器，所述频率跟踪器的两端分别与所述超声波发生器和所述换能器连接，在进行焊接时，所述搅拌肩和搅拌头转动方向相反，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的1.5-3倍，该装置和方法避免了焊接过程中的“漏斗式”温度场的出现，确保焊缝组织的均匀性。

Description

一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法。
背景技术
摩擦焊是利用板材端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。搅拌摩擦焊在板材焊接方面有其独特优势，但是由于现有技术采用搅拌头和搅拌肩同步转动，焊接件上表面既与搅拌头摩擦生热，又与搅拌肩摩擦生热，在焊接区形成上高下低的“漏斗式”温度场，表层温度高，深层温度低，焊接区底层尚未达到焊接所需的塑性状态，造成底层难以焊合，或以上层组织过热为代价，来提高下层板材温度，而一些合金板材对焊接温度和时间有严格限制，这一现象在厚板焊接中更为突出，因此，亟需提出一种方法来解决搅拌摩擦焊中存在的“漏斗式”温度场的问题。
另外，由于超声波振动装置的谐振频率对外界负载、热载荷等因素较为敏感，这些因素的改变会引起超声波振动装置谐振频率的变化，导致超声波振动装置失谐或者停止工作。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种搅拌摩擦焊成形装置及其焊接方法，该装置将搅拌头与搅拌肩分别由2台电机带动，以达到转向相反、转速不同的目的，从而避免了焊接过程中的“漏斗式”温度场的出现，确保焊缝组织的均匀性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种搅拌摩擦焊成形装置，包括电机、搅拌肩、搅拌头、超声装置，所述超声装置包括依次连接的超声波发生器、换能器、变幅杆，所述搅拌肩中心位置设有通孔，所述通孔的直径大于所述搅拌头的直径，所述搅拌头穿过所述通孔，所述电机为2台，所述搅拌头和搅拌肩分别与所述电机活动连接，所述变幅杆与所述搅拌肩固定连接，所述超声装置还包括频率跟踪器，所述频率跟踪器的两端分别与所述超声波发生器和所述换能器连接。
进一步，所述通孔内设有轴承，所述搅拌头穿过所述轴承与所述搅拌肩活动连接。
另，本发明还提供一种利用如上所述的成形装置进行焊接的方法，包括以下步骤：
S1、将待焊接的两块板材放置在工作台上，并通过固定装置进行固定；
S2、所述换能器将所述超声波发生器发出的高频电能转换为机械振动，通过所述变幅杆传播纵向振动至搅拌肩和搅拌头，并放大振幅，在搅拌头与板材接触处振幅达到最大；
S3、焊接时，所述搅拌头、搅拌肩、变幅杆一起做进给运动，所述搅拌头伸进板材内部进行摩擦和搅拌，搅拌肩与板材表面摩擦，由2台电机分别带动的所述搅拌肩和搅拌头转动方向相反，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的1.5-3倍，焊接完成后，所述搅拌头、搅拌肩和变幅杆一起退出。
进一步，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的2.0-2.5倍。
进一步，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的2.1倍。
进一步，所述搅拌头的转速为1000-1800rpm。
本发明的有益效果如下：
1、搅拌肩和搅拌头转速不同，降低了搅拌肩与板材表面的摩擦生热，避免形成“漏斗式”温度场；
2、搅拌肩和搅拌头转向相反，有利于塑性区域金属的流动，便于焊缝组织的均匀性；
3、引入频率跟踪器，实时调整超声波发生器的频率，使其与换能器工作在共振频率点上。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的搅拌肩和搅拌头连接示意图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种搅拌摩擦焊成形装置，包括电机、搅拌肩4、搅拌头5、超声装置，所述电机为2台，所述搅拌肩4与所述电机的轴通过轴承连接，所述搅拌头5外套有齿轮，所述电机的轴外也套有齿轮，2个齿轮啮合，将电机的的动力传递给搅拌头5。所述超声装置包括依次连接的超声波发生器1、换能器2、变幅杆3，还包括频率跟踪器8，所述频率跟踪器8的两端分别与所述超声波发生器1和所述换能器2通过导线连接，所述变幅杆3与所述搅拌肩4焊接。频率跟踪器8分别采集超声波发生器1和换能器2的频率，通过频率跟踪信号控制超声波发生器1，使超声波发生器1的频率在一定范围内跟踪换能器2的共振点，让超声波发生器1工作在最佳状态。
如图2所示，所述搅拌肩4中心位置设有通孔，所述搅拌头5穿过所述通孔，所述通孔的直径大于所述搅拌头5的直径，所述通孔内设有轴承9，所述搅拌头5穿过所述轴承9与所述搅拌肩4活动连接，用以减小搅拌头5旋转时的力矩。
一种利用如上所述的成形装置进行焊接的方法，包括以下步骤：
S1、将待焊接的两块板材6放置在工作台7上，并通过固定装置进行固定；
S2、所述换能器2将所述超声波发生器1发出的高频电能转换为机械振动，通过所述变幅杆3传播纵向振动至搅拌肩4，并带动内部的搅拌头5，放大振幅，在搅拌头5与板材6接触处振幅达到最大；
S3、焊接时，所述搅拌头5、搅拌肩4、变幅杆3一起做进给运动，当搅拌头5纵向进给到与板材6接触到时，所述搅拌头5伸进板材6之间进行摩擦和搅拌，搅拌头5与板材6表面摩擦生成的热量使得板材6表面材料发生塑化，搅拌肩4与板材6上表面摩擦，使板材6上表面的塑化部分混合，由2台电机带动的所述搅拌肩4和搅拌头5转动方向相反，所述搅拌头5的转速为1000-1800rpm，优选为1800rpm，所述搅拌头5的转速为所述搅拌肩4转速的1.5-3倍，优选地，所述搅拌头5的转速为所述搅拌肩4转速的2.0-2.5倍，最优为2.1倍。焊接完成后，所述搅拌头5、搅拌肩4和变幅杆3一起退出。搅拌肩4和搅拌头5转速不同，降低了搅拌肩4与板材6表面的摩擦生热，避免形成“漏斗式”温度场。搅拌肩4和搅拌头5转向相反，有利于塑性区域金属的流动，便于焊缝组织的均匀性。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种搅拌摩擦焊成形装置，包括电机、搅拌肩、搅拌头、超声装置，所述超声装置包括依次连接的超声波发生器、换能器、变幅杆，其特征在于，所述搅拌肩中心位置设有通孔，所述通孔的直径大于所述搅拌头的直径，所述搅拌头穿过所述通孔，所述电机为2台，所述搅拌头和搅拌肩分别与所述电机活动连接，所述变幅杆与所述搅拌肩固定连接，所述超声装置还包括频率跟踪器，所述频率跟踪器的两端分别与所述超声波发生器和所述换能器连接。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊成形装置，其特征在于，所述通孔内设有轴承，所述搅拌头穿过所述轴承与所述搅拌肩活动连接。
3.一种利用如权利要求1所述的成形装置进行焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将待焊接的两块板材放置在工作台上，并通过固定装置进行固定；
S2、所述换能器将所述超声波发生器发出的高频电能转换为机械振动，通过所述变幅杆传播纵向振动至搅拌肩和搅拌头，并放大振幅，在搅拌头与板材接触处振幅达到最大；
S3、焊接时，所述搅拌头、搅拌肩、变幅杆一起做进给运动，所述搅拌头伸进板材内部进行摩擦和搅拌，搅拌肩与板材表面摩擦，由2台电机分别带动的所述搅拌肩和搅拌头转动方向相反，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的1.5-3倍，焊接完成后，所述搅拌头、搅拌肩和变 幅杆一起退出。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的2.0-2.5倍。
5.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述搅拌头的转速为所述搅拌肩转速的2.1倍。
6.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述搅拌头的转速为1000-1800rpm。
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