CN105014227A - 一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板t型接头的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体地说是一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法。该焊接装置包括T型接头夹具和焊接部件，所述T型接头夹具包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板在竖直方向上设有间隙，所述筋板设于所述间隙内，所述第一壁板设于所述第一夹板上表面上，所述第一壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述第二壁板设于所述第二夹板上表面上，所述第二壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述筋板分别垂直于所述第一壁板和第二壁板；所述焊接部件包括激光添加器和搅拌器，所述激光添加器设于所述搅拌器上，所述搅拌器下端与所述筋板的上表面、第一壁板的上表面和第二壁板的上表面相贴合。

Description

一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地说是一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法。

背景技术

薄板在航空航天、交通运输等轻量化结构需求显著的领域具有广泛应用，但薄板的强度和刚度有限，有时难以满足实际使用的需求。加强筋可以在不显著增加重量的情况下大幅度提高壁板的稳定，因此壁板与加强筋之间的T型连接是实现焊接结构轻量化的重要方式之一。当采用传统熔化焊焊接薄板T型接头时，由于薄板刚度较小且局部焊接热输入较大，接头容易产生焊接变形，难以满足实际生产的需求。因此薄板T型连接是一个非常重要的焊接课题，也是焊接领域中的一个技术难点。搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种固相焊接技术。由于焊接热输入小及被焊金属不发生熔化，搅拌摩擦焊可以避免产生传统熔化焊中常见的裂纹、变形等焊接缺陷，因此搅拌摩擦焊可能成为一种极具发展前景的薄板T型连接工艺途径。

国内外许多学者开展了不少搅拌摩擦焊接T型接头的研究，如名称为“一种T型镁合金型材搅拌摩擦焊的焊接方法”，专利号为201410323057.5的发明专利，名称为“T形工件的搅拌摩擦焊具”，专利号为201320682689的实用新型专利以及名称为“填充式搅拌摩擦焊焊接T型接头内侧角焊缝的方法及装置”，专利号为201210418416.6的发明专利，都提供了搅拌摩擦焊接T型接头的方法或装置。但大量研究发现搅拌摩擦焊接T型接头焊缝中容易产生多种焊接缺陷，如隧道”缺陷、“Z”线与“弱结合”缺陷等，研究发现这些焊接缺陷的产生都与焊接热输入不足有关，而增加焊接热输入能有效减少或降低焊接缺陷的产生。

近年来，复合热源搅拌摩擦焊在国内外受到了广泛关注，复合热源的种类有多种，主要包括：激光、超声波、电阻热等。与其它辅助热源相比而言，激光的功率密度高，激光束的可控性好，易于实现信息化、智能化，且激光设备体积较小、价格较低。因此，激光可能是一种优质的搅拌摩擦焊接辅助热源。国内外关于激光辅助搅拌摩擦焊的专利也不少见，如名称为“一种结合激光和搅拌摩擦焊的复合焊接方法”，专利号为201210592979.7、“一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置”，专利号为201210498493.7与“一种激光辅助的搅拌摩擦缝焊的装置”，专利号为201220456071.9都公开了激光与搅拌摩擦复合焊接方法及装置。但此类专利的对象、目的都是通过外加辅助热源使搅拌摩擦焊能实现硬质材料，如不锈钢、碳钢、钛合金等对接形式的焊接。由于T型接头搅拌摩擦焊接所需的搅拌工具及焊接夹具与对接接头相比有显著差异，所以激光辅助搅拌摩擦焊接T型接头的方法与装置与对接接头相比也存在显著的不同，但关于薄板T型构件连接的激光辅助搅拌摩擦焊接方法及装置尚未公开及发表。

发明内容

针对搅拌摩擦焊接薄板T型接头焊接热输入不足而产生焊接缺陷的情况，本发明提供一种采用外加激光辅助热源，增加搅拌摩擦焊接T型接头的热量输入及焊缝热塑性材料的含量，进而填满焊缝孔洞，实现薄板T型构件的紧密连接的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，用于将第一壁板、第二壁板和筋板组成的焊接工件焊接成T型接头，包括T型接头夹具和焊接部件，所述T型接头夹具包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板在竖直方向上设有间隙，所述筋板设于所述间隙内，所述第一壁板设于所述第一夹板上表面上，所述第一壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述第二壁板设于所述第二夹板上表面上，所述第二壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述筋板分别垂直于所述第一壁板和第二壁板；所述焊接部件包括激光添加器和搅拌器，所述激光添加器设于所述搅拌器上，所述搅拌器下端与所述筋板的上表面、第一壁板的上表面和第二壁板的上表面相贴合。

所述搅拌器上设有一根安装条，所述安装条上设有一条弧形卡槽，所述激光添加器设于所述弧形卡槽内。

所述第一夹板上位于所述筋板与第一壁板的夹角处设有第一垫板，所述第二夹板上位于所述筋板与第二壁板的夹角处设有第二垫板。

所述第一壁板、第二壁板和筋板的厚度均在1.5mm～3mm之间。

所述搅拌器上设有搅拌针和位于搅拌针上部的轴肩，所述搅拌针通过电机带动旋转，所述搅拌针呈上大下小的圆台形，所述搅拌针的外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度在4°～6°之间，所述搅拌器与被焊工件法线夹角范围在2°～3°之间，搅拌针的旋转速度范围在900～1100rpm之间。

所述激光添加器上设有激光管，所述激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1.5～4mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在10mm～15mm之间，激光管与第一壁板上表面的夹角范围在20°～50°之间。

所述激光添加器采用CO2激光添加器产生激光，激光功率范围在200W～2000W之间。

所述第一壁板、第二壁板和筋板的材质为铝合金或者镁合金或者不锈钢或者普通碳钢之间的一种或多种；所述第一垫板和第二垫板的材质为铁基耐热合金或者镍基高温合金。

一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法，采用激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置进行焊接，所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法包括以下步骤：

(1)、将第一壁板、第二壁板分别放置于第一夹板和第二夹板的上表面上，将筋板放置在第一夹板和第二夹板之间的间隙内，所述筋板分别垂直于所述第一壁板和第二壁板；

(2)、将激光添加器通过安装条安装在搅拌器上，再将搅拌器置于所述第一壁板、第二壁板和筋板三者接触处；

(3)、在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器与激光添加器同时同速率沿焊接方向移动。

所述步骤(3)中焊接速度范围在60～80mm/min之间。

本发明所带来的有益效果是：

本发明中，一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法采用激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头可以减少或避免搅拌摩擦焊接T型接头焊缝处的孔洞等焊接缺陷，提升焊接质量。本发明的优点在于：

1.采用搅拌摩擦焊焊接薄板T型构件可实现单面焊三面成型，能减小焊接残余应力、减小焊接变形、提高T接头焊接的生产效率与产品质量。

2.采用激光辅助搅拌摩擦焊接T型接头能够避免单一搅拌摩擦焊接热源因焊接热输入不足而产生的焊接缺陷。通过激光辅助加热，增加焊接热输入、增加焊缝热塑性材料的含量，改善焊缝材料塑性流动的状态，实现接头的紧密连接，进而提高搅拌摩擦焊接T型接头的产品质量。

3.本发明所采用的激光辅助搅拌摩擦焊接T型接头可以实现多种材质、不同厚度的T型连接，焊接生产效率高，产品质量好。

4.焊后不不需要清理工件、不需要其他焊接材料、适应性好、效率高。

5.最主要的优点在于：实现简单快捷地完成同种或异种材料的薄板T型构件的焊接，且焊接质量好。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置的结构示意图。

图2为本发明所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置的剖面图。

图中部件名称对应的标号如下：

1、第一壁板；2、第二壁板；3、筋板；4、第一夹板；5、第二夹板；6、激光添加器；7、搅拌器；8、安装条；9、弧形卡槽；10、第一垫板；11、第二垫板；12、搅拌针；13、轴肩；14、激光管。

具体实施方式

下面通过具体实施方式及附图对本发明的内容进行进一步描述，但这些实施例并不限制本发明的保护范围：

实施例一：

作为本发明所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置实施例，如图1和图2所示，用于将第一壁板1、第二壁板2和筋板3组成的焊接工件焊接成T型接头，所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置包括T型接头夹具和焊接部件，所述T型接头夹具包括高度相同的第一夹板4和第二夹板5，所述第一夹板4和第二夹板5在竖直方向上设有间隙，所述筋板3设于所述间隙内，所述第一壁板1设于所述第一夹板4上表面上，所述第一壁板1的侧面与所述筋板3相抵触，所述第二壁板2设于所述第二夹板5上表面上，所述第二壁板2的侧面与所述筋板3相抵触，所述筋板3分别垂直于所述第一壁板1和第二壁板2；所述焊接部件包括激光添加器6和搅拌器7，所述激光添加器6设于所述搅拌器7上，所述搅拌器7下端与所述筋板3的上表面、第一壁板1的上表面和第二壁板2的上表面相贴合。

本实施例中，所述第一夹板4上位于所述筋板3与第一壁板1的夹角处设有第一垫板10，所述第二夹板5上位于所述筋板3与第二壁板2的夹角处设有第二垫板11。

本实施例中，所述第一壁板1、第二壁板2和筋板3的厚度均为2.5mm。

本实施例中，所述搅拌器7上设有搅拌针12和位于搅拌针12上部的轴肩13，所述搅拌针12通过电机(图中未示出)带动旋转，所述搅拌针12呈上大下小的圆台形，所述轴肩13直径20mm，搅拌针12上端直径为5mm，搅拌针12下端直径为2mm，搅拌针12长度为4.5mm，所述搅拌针12的外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度为5°，所述搅拌器7与被焊工件法线夹角为2.5°，搅拌针12的旋转速度为1000rpm。

本实施例中，所述搅拌器7上设有一根安装条8，所述安装条8上设有一条弧形卡槽9，所述激光添加器6设于所述弧形卡槽9内。所述激光添加器6上设有激光管14，所述激光管14产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径为3mm，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离为12mm，激光管14与第一壁板1上表面的夹角为40°。所述激光添加器6在弧形卡槽9内滑动则可以调节激光管14与第一壁板1之间的夹角，进而调节光斑的直径和光斑距实际焊接位置的距离。

本实施例中，所述激光添加器6采用CO2激光添加器产生激光，激光功率为700W。

本实施例中，所述第一壁板1、第二壁板2和筋板3的材质为镁合金；所述第一垫板10和第二垫板11的材质均为铁基耐热合金。

一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法，采用激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置进行焊接，所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法包括以下步骤：

(4)、将第一壁板1、第二壁板2分别放置于第一夹板4和第二夹板5的上表面上，将筋板3放置在第一夹板4和第二夹板5之间的间隙内，所述第一壁板1和第二壁板2的高度相同，所述第一壁板1和第二壁板2放置于同一平面上，所述筋板3分别垂直于所述第一壁板1和第二壁板2；

(5)、将激光添加器6通过安装条8安装在搅拌器7上，再将搅拌器7置于所述第一壁板1、第二壁板2和筋板3三者接触处；

(6)、在焊接时激光管14引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针12在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器7与激光添加器6同时同速率沿焊接方向移动。

本实施例中，所述步骤(3)中焊接速度为70mm/min。

实施例二：

作为本发明所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置的实施例，与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第一壁板1的厚度为1.5mm、第二壁板2的厚度为1.5mm和筋板3的厚度为3mm；所述搅拌针12呈上大下小的圆台形，所述轴肩13直径15mm，搅拌针12上端直径为4mm，搅拌针12下端直径为1.5mm，搅拌针12长度为3.5mm，所述搅拌针12的外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度为4°，所述搅拌器7与被焊工件法线夹角为2°，搅拌针12的旋转速度为900rpm；激光束照射在被焊工件的光斑直径为1.5mm，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离为10mm，激光管14与第一壁板1上表面的夹角为20°；激光功率为200W；所述第一壁板1的材质为铝合金，第二壁板2的材质为铝合金，筋板3的材质为不锈钢；所述第一垫板10和第二垫板11的材质为镍基高温合金；所述步骤(3)中焊接速度为60mm/min。

本实施例中，其余结构、步骤及有益效果均与实施例一一致，这里不再一一赘述。

实施例三：

作为本发明所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置的实施例，与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第一壁板1的厚度为1.5mm、第二壁板2的厚度为2mm和筋板3的厚度为2.5mm；所述搅拌针12呈上大下小的圆台形，所述轴肩13直径30mm，搅拌针12上端直径为6mm，搅拌针12下端直径为3mm，搅拌针12长度为5mm，所述搅拌针2的外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度为6°，所述搅拌器7与被焊工件法线夹角为3°，搅拌针12的旋转速度为1100rpm；激光束照射在被焊工件的光斑直径为4mm，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离为15mm，激光管13与第一壁板1上表面的夹角为50°；激光功率为2000W；所述第一壁板1的材质为铝合金，第二壁板2的材质为普通碳钢金，筋板3的材质为镁合金；所述第一垫板10的材质均为铁基耐热合金，第二垫板11的材质为镍基高温合金；所述步骤(3)中焊接速度为80mm/min。

本实施例中，其余结构、步骤及有益效果均与实施例一一致，这里不再一一赘述。

Claims (10)

1.一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，用于将第一壁板、第二壁板和筋板组成的焊接工件焊接成T型接头，其特征在于包括T型接头夹具和焊接部件，所述T型接头夹具包括第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板在竖直方向上设有间隙，所述筋板设于所述间隙内，所述第一壁板设于所述第一夹板上表面上，所述第一壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述第二壁板设于所述第二夹板上表面上，所述第二壁板的侧面与所述筋板相抵触，所述筋板分别垂直于所述第一壁板和第二壁板；所述焊接部件包括激光添加器和搅拌器，所述激光添加器设于所述搅拌器上，所述搅拌器下端与所述筋板的上表面、第一壁板的上表面和第二壁板的上表面相贴合。

2.如权利要求1所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述搅拌器上设有一根安装条，所述安装条上设有一条弧形卡槽，所述激光添加器设于所述弧形卡槽内。

3.如权利要求2所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述第一夹板上位于所述筋板与第一壁板的夹角处设有第一垫板，所述第二夹板上位于所述筋板与第二壁板的夹角处设有第二垫板。

4.如权利要求3所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述第一壁板、第二壁板和筋板的厚度均在1.5mm～3mm之间。

5.如权利要求4所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述搅拌器上设有搅拌针和位于搅拌针上部的轴肩，所述搅拌针通过电机带动旋转，所述搅拌针呈上大下小的圆台形，所述搅拌针的外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度在4°～6°之间，所述搅拌器与被焊工件法线夹角范围在2°～3°之间，搅拌针的旋转速度范围在900～1100rpm之间。

6.如权利要求5所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述激光添加器上设有激光管，所述激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1.5～4mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在10mm～15mm之间，激光管与第一壁板上表面的夹角范围在20°～50°之间。

7.如权利要求6所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述激光添加器采用CO2激光添加器产生激光，激光功率范围在200W～2000W之间。

8.如权利要求7所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置，其特征在于所述第一壁板、第二壁板和筋板的材质为铝合金或者镁合金或者不锈钢或者普通碳钢之间的一种或多种；所述第一垫板和第二垫板的材质为铁基耐热合金或者镍基高温合金。

9.一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法，其特征在于采用如权利要求1-8任一项所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置进行焊接，所述激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法包括以下步骤：

(1)、将第一壁板、第二壁板分别放置于第一夹板和第二夹板的上表面上，将筋板放置在第一夹板和第二夹板之间的间隙内，所述筋板分别垂直于所述第一壁板和第二壁板；

(2)、将激光添加器通过安装条安装在搅拌器上，再将搅拌器置于所述第一壁板、第二壁板和筋板三者接触处；

(3)、在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器与激光添加器同时同速率沿焊接方向移动。

10.如权利要求5所述的激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的方法，其特征在于所述步骤(3)中焊接速度范围在60～80mm/min之间。