CN105665913A - 微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法及其搅拌轴肩 - Google Patents

Abstract

本发明公开微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法及其搅拌轴肩。该方法包括：在设备主轴上安装具有搅拌轴肩的微搅拌摩擦焊工具，该搅拌轴肩为具有内聚花纹的平轴肩或者包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹；设备主轴与工件表面法向成倾角为0度，设备主轴带动微搅拌摩擦焊工具以至少5000rpm的旋转速度旋转，并以恒定的焊接速度沿焊接轨迹移动并进行顶锻焊接。由于设备主轴与工件表面法向成倾角为0度，只需要三轴联动即可完成焊接过程，所以，设备简单，再者，通过内聚花纹以及以恒定速度焊接，确保稳定性。

Description

微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法及其搅拌轴肩

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其涉及微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，该方法以及搅拌轴肩。

背景技术

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型固相连接方法，具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小，焊接接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁合金、以及传统熔化焊难以焊接的材料，甚至可适用于异种金属的焊接。传统搅拌摩擦焊焊接过程就是以有倾角的方式实现的，搅拌工具时刻与工件表面法向保持2-5°倾角并沿焊缝的切线方向进行跟随。设备主轴的位置可以在横向（X轴）、纵向（Y轴）、高度方向（Z轴）三个方向移动，并保持一定倾角（A轴运动），以及周向运动（C轴），使其主轴轴线方向时刻与焊缝轨迹法向保持一致。倾角的存在使搅拌工具前方材料可以进入工具轴肩下方而被拘束，随主轴运动，搅拌摩擦焊接过程得以实现。采用此种搅拌焊方法焊接平面曲线焊缝需要设备五轴四联动，设备复杂、制造成本高、难度大，而且限制了该方法在空间三维曲线焊缝的应用。

微小厚度尺寸构件焊接时需要降低搅拌工具轴肩尺寸，以降低焊缝宽度，扩大其应用范围。而减小轴肩尺寸的直接影响就是产热不足以使材料达到塑性状态，因此需要提高主轴转速来补足轴肩减小所降低的热量。由于有倾角搅拌摩擦焊焊接设备需要五轴四联动，当采用超高速主轴进行焊接时，将对设备主轴动平衡非常不利，导致微小厚度尺寸构件的微搅拌焊接过程稳定性难以保证。

发明内容

本发明解决的问题是现有有倾角式搅拌摩擦焊方法在微小厚度尺寸构件焊接过程的稳定性及设备复杂性问题。

为解决上述问题，本发明提供一种微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，其特征是：该方法包括：在设备主轴上安装具有搅拌轴肩的微搅拌摩擦焊工具，该搅拌轴肩为具有内聚花纹的平轴肩或者包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹；设备主轴与工件表面法向成倾角为0度，设备主轴带动微搅拌摩擦焊工具以至少5000rpm的旋转速度旋转，并以恒定的焊接速度沿焊接轨迹移动并进行顶锻焊接。

在进一步方案中，所述凸出部是由一个平面绕轴肩本体的轴线旋转而构成的旋转体，该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线。

在进一步方案中，所述凸出部是圆台、球冠或者具有向轴肩本体凹进的凹面。

在进一步方案中，所述旋转速度至少20000rpm。

本发明还公开微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊的搅拌轴肩，该轴肩包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹。

在进一步方案中，所述凸出部是由一个平面绕轴肩本体的轴线旋转而构成的旋转体，该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线。

在进一步方案中，所述凸出部是圆台、球冠或者具有向轴肩本体凹进的凹面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，本发明大大降低了搅拌摩擦焊设备的复杂性，焊接过程无倾角降低了加工和制造难度。传统搅拌摩擦焊过程设备为五轴，无论从机床本体结构、设备主轴驱动、控制系统的设计制造还是曲线路径轨迹的插补计算都相当复杂。如果采用无倾角式搅拌摩擦焊，可仅基于三轴联动系统就能实现，则各个方面都得到了大大简化，同时又增加了设备的稳定性。而且设备的简化也更有利于无倾角式搅拌摩擦焊设备向着小型化、便携式方向发展。

其次，本发明能够避免焊缝轨迹拐角处的速度变化。对于曲线轨迹焊缝来说，拐角处圆弧轨迹插补时传统搅拌摩擦焊需要C轴时刻根据运动轨迹和焊接工具的相对位置进行插补，计算出自身的姿态，并且进行相应的旋转随动，这样就会造成在直线和圆弧轨迹衔接时，尤其是轨迹曲率变化较大时主机头的运动速度波动，从而降低了焊接过程的稳定性，影响整体焊缝质量。而无倾角式搅拌摩擦焊仅仅基于三轴联动系统，无论何种轨迹，焊接速度时刻保持一致，避免了此类问题的发生，易于保证整体焊缝质量。

再次，本发明有利于保证设备的动平衡，提高焊接稳定性。传统搅拌摩擦焊中主轴存在一定倾角，十分不利于设备高速运转中动平衡的保证，制约和限制了设备主轴的转速和焊接速度。而无倾角式搅拌摩擦焊省去了两个轴，更有利于保证设备的动平衡，则可通过提高主轴旋转速度，进而提高焊接效率。

最后，本发明无倾角式搅拌摩擦焊具有更大的空间三维曲线焊缝的应用潜力。有倾角式搅拌摩擦焊在平面曲线焊缝的插补中计算已经较为复杂，而实现空间三维曲线焊缝轨迹姿态的计算和插补则更为复杂。对无倾角式搅拌摩擦焊过程的研究和应用将大大简化轨迹插补难度，为空间三维复杂曲线焊缝的大规模搅拌摩擦焊应用提供可行的解决方案。该焊接方法具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法的示意图；

图2是本发明第二种实施方式的微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法的示意图；

图3是图2中A部分的局部放大图，该图着重显示金属流动；

图4是搅拌轴肩的一种实施方式的结构示意图；

图5是搅拌轴肩的另一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法第一实施方式对待焊母材3进行焊接（该待焊母材是厚度为0.8mm超薄铝合金6061板），包括在设备主轴1上安装具有搅拌轴肩4的微搅拌摩擦焊工具2，该搅拌轴肩4为具有内聚花纹的平轴肩；焊接时，设备主轴1与工件表面法向成倾角为0度，设备主轴1带动微搅拌摩擦焊工具2以至少20000rpm（比如20000rpm、21000rpm、21050rpm、23000rpm、23500rpm、25000rpm、27000rpm）的旋转速度旋转，并以恒定的焊接速度（整个过程以焊接速度v）沿焊接轨迹移动并进行顶锻焊接，直至焊接过程结束。

请参阅图2至图5，本发明第二实施方式与第一实施方式相比，其区别在于：所述搅拌轴肩4采用外凸式轴肩，包括轴肩本体41以及自轴肩本体41向外凸出的凸出部42，该凸出部42A的表面具有内聚花纹，在该实施方式中，凸出部42A是圆台，如图2和图3所示。在其他的实施方式中，凸出部42是球面，如图4所示，凸出部42也可以具有向轴肩本体41凹进的凹面421，总之，凸出部42只要是由一个平面（该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线）绕轴肩本体41的轴线旋转而构成的旋转体都可以应用于本发明。该实施方式的外凸式轴肩与第一实施方式的平轴肩相比，更利于压入量的控制，同时在搅拌针和轴肩上的内聚花纹促使材料向中心及搅拌工具下方流动，同时搅拌工具沿焊接轨迹移动并顶锻，就能够实现搅拌摩擦焊接过程。

虽然本上述两个实施方式均以厚度为0.8mm超薄铝合金6061板为例进行说明，但是，本领域技术人员可以理解，上述方法同样适用于铝、镁、铜合金等有色金属的固相连接以及异种金属连接过程。另外，旋转速度虽然仅以至少20000rpm为例进行说明，但是，只要至少5000rpm都可以应用于本发明，比如，5000rpm、5500rpm、7000rpm、8000rpm、8200rpm、8800rpm、9000rpm、10000rpm、13000rpm、15000rpm、15600rpm、16500rpm、17000rpm、17500rpm、18000rpm、18200rpm、18800rpm、19400rpm或者19800rpm。

在上述方法中，设备主轴1与工件表面法向成倾角为0度，焊接时，三轴联动系统中主轴在横向（X轴）、纵向（Y轴）、高度方向（Z轴）三个方向移动，无需A轴（倾角）和C轴（周向随动），是无倾角式焊接方法，通过设备主轴1的超高速旋转，进行无倾角式微搅拌摩擦焊接，当微搅拌摩擦焊工具2高速旋转，在机械搅拌和热作用的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，再者，在搅拌轴肩4及搅拌针的内聚花纹的作用下，搅拌轴肩4下金属材料沿着微搅拌摩擦焊工具2旋转方向同时向中心进行流动，在搅拌针5附近，金属材料向下流动从而实现对材料的顶端和压实得到致密的焊缝，所以，与现有技术相比，本发明的方法具有如下优点：

首先，本发明大大降低了搅拌摩擦焊设备的复杂性，无倾角焊接过程降低了加工和制造难度。传统搅拌摩擦焊过程设备为五轴，无论从机床本体结构、设备主轴驱动、控制系统的设计制造还是曲线路径轨迹的插补计算都相当复杂。如果采用无倾角式搅拌摩擦焊，可仅基于三轴联动系统就能实现，则各个方面都得到了大大简化，同时又增加了设备的稳定性。而且设备的简化也更有利于无倾角式搅拌摩擦焊设备向着小型化、便携式方向发展。

其次，本发明能够避免焊缝轨迹拐角处的速度变化。对于曲线轨迹焊缝来说，拐角处圆弧轨迹插补时传统搅拌摩擦焊需要C轴时刻根据运动轨迹和焊接工具的相对位置进行插补，计算出自身的姿态，并且进行相应的旋转随动，这样就会造成在直线和圆弧轨迹衔接时，尤其是轨迹曲率变化较大时主机头的运动速度波动，从而降低了焊接过程的稳定性，影响整体焊缝质量。而无倾角式搅拌摩擦焊仅仅基于三轴联动系统，无论何种轨迹，焊接速度时刻保持一致，避免了此类问题的发生，易于保证整体焊缝质量。

再次，本发明有利于保证设备的动平衡，提高焊接稳定性。传统搅拌摩擦焊中主轴存在一定倾角，十分不利于设备高速运转中动平衡的保证，制约和限制了设备主轴的转速和焊接速度。而无倾角式搅拌摩擦焊省去了两个轴，更有利于保证设备的动平衡，则可通过提高主轴旋转速度，进而提高焊接效率。

最后，本发明无倾角式搅拌摩擦焊具有更大的空间三维曲线焊缝的应用潜力。有倾角式搅拌摩擦焊在平面曲线焊缝的插补中计算已经较为复杂，而实现空间三维曲线焊缝轨迹姿态的计算和插补则更为复杂。对无倾角式搅拌摩擦焊过程的研究和应用将大大简化轨迹插补难度，为空间三维复杂曲线焊缝的大规模搅拌摩擦焊应用提供可行的解决方案。该焊接方法具有重要的工程应用价值。

基于微搅拌摩擦焊方法的技术思路，本发明还公开一种微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊的搅拌轴肩，该轴肩包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹。在进一步方案中，所述凸出部是由一个平面绕轴肩本体的轴线旋转而构成的旋转体，该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线。更具体的是：所述凸出部是圆台、球冠或者具有向轴肩本体凹进的凹面。

Claims (7)

1.微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，其特征是：该方法包括：

在设备主轴上安装具有搅拌轴肩的微搅拌摩擦焊工具，该搅拌轴肩为具有内聚花纹的平轴肩或者包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹；

设备主轴与工件表面法向成倾角为0度，设备主轴带动微搅拌摩擦焊工具以至少5000rpm的旋转速度旋转，并以恒定的焊接速度沿焊接轨迹移动并进行顶锻焊接。

2.如权利要求1所述微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，其特征是：所述凸出部是由一个平面绕轴肩本体的轴线旋转而构成的旋转体，该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线。

3.如权利要求2所述微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，其特征是：所述凸出部是圆台、球冠或者具有向轴肩本体凹进的凹面。

4.如权利要求1所述微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊方法，其特征是：所述旋转速度至少20000rpm。

5.微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊的搅拌轴肩，其特征是：该轴肩包括轴肩本体以及自轴肩本体向外凸出的凸出部，该凸出部的表面具有内聚花纹。

6.如权利要求5所述微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊的搅拌轴肩，其特征是：所述凸出部是由一个平面绕轴肩本体的轴线旋转而构成的旋转体，该平面与轴线相对的边不平行于轴肩本体的轴线。

7.如权利要求6所述微小厚度尺寸构件的微搅拌摩擦焊的搅拌轴肩，其特征是：所述凸出部是圆台、球冠或者具有向轴肩本体凹进的凹面。