CN105728934A - 一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，该装置包括在搅拌头本体上设置强力磁铁，在焊接平台底部设置与搅拌头本体上的强力磁铁同步移动的同名磁极相对的强力磁铁，在焊件底部焊接平台上设置强制水冷却通道，在焊件对接缝上施加与焊接方向一致的直流电流，焊接时，搅拌头本体携带强力磁铁做高速旋转运动与焊件正下方同名磁极相对强力磁铁一起形成强磁场，强磁场与焊件对接缝上电子风力双重作用以及焊件强制冷却作用共同影响搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动，达到焊接效率高，成本低，搅拌头使用寿命长，焊缝组织晶粒得到有效细化，综合性能显著提高的目的。

Description

一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法

技术领域

本发明属于金属焊接技术领域，涉及一种搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，具体涉及一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute，简称TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接，它具有焊接接头强度高、焊接工件变形小、不易产生有害相等优点。

搅拌摩擦焊焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织细化和均匀化，焊接过程中较低的热循环作用，避免了气孔、裂纹等熔焊缺陷的产生，减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有较高的强度和韧性。但由于搅拌摩擦焊焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性变形热，塑性变形后的细小晶粒容易长大变成粗晶组织，使焊接接头存在明显的热软化效应，导致焊接接头的强度仍低于母材，特别是钢、钛等高熔点材料焊接时，最高温度在1000℃以上，搅拌头往往是难溶性的贵重金属合金材料或陶瓷材料，焊接过程中，搅拌头经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，搅拌头容易失效，使寿命下降，从而导致焊接成本大大提高，同时，高熔点材料焊接时，对焊接温度敏感，搅拌摩擦焊可焊性变差，较高的温度也使焊缝组织在高温下停留时间较长，晶粒更易长大变成粗晶组织，焊接接头塑性和强度均较差。因此，急需找到一种有效方法解决目前常规搅拌摩擦焊所面临的主要问题，以获得晶粒细小，综合性能优良的焊接接头。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，工艺简单，成本低廉，焊接效率高，搅拌头使用寿命高，能使焊缝组织晶粒细化，综合性能显著提高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，包括位于焊接平台16上方的搅拌头1、与焊接平台16配合的压板夹具49，以及跟焊接平台16配套使用的冷却系统30；

所述搅拌头1包括夹持部分2，夹持部分2下端开设有挡圈槽3，挡圈槽3下端9mm处开设有M4mm定位螺纹孔8，挡圈槽3下端与最大外径轴台阶7之间套装有隔磁套6，隔磁套6一侧外壁开设有定位孔9，隔磁套6通过搅拌头1最大外径轴台阶7第一定位，隔磁套6上套装有强力磁铁5，强力磁铁5内径与隔磁套6外径紧配合，强力磁铁5通过隔磁套6端部的套肩第一定位，强力磁铁5外径至内径开设有定位孔10，强力磁铁5径向定位孔10与M4mm定位螺纹孔8和隔磁套6一侧外壁开设的定位孔9三者中心线重合，采用M4mm不锈钢螺钉拧紧使隔磁套6、强力磁铁5第二定位，强力磁铁5上表面设有隔磁板4，紧靠隔磁板4的挡圈槽3里设有弹性挡圈11压紧隔磁板4，最大外径轴台阶7下端为过渡圆柱13，过渡圆柱13下端为轴肩14，轴肩下端为搅拌针15。

所述搅拌针15为圆锥台，小头端朝下，圆锥台锥度为1:1.35，小头直径为焊接材料厚度0.9-1.1倍。

所述焊接平台16为两侧带紧固耳的球墨铸铁平台，焊接平台16上表面设置有平行于长度方向三道未开通的T型槽，中间T型槽17设在宽度中心线上，两侧T型槽18以中间T型槽17对称布置，两侧T型槽18最中间未开通，未开通区域作为待焊工件焊接工作区，焊接平台表面下方以长度中心线为对称沿宽度方向开通两个冷却孔19，冷却孔19两端开设有螺纹孔，螺纹孔装有4个快速接头，焊接平台16底面在长度中心位置沿宽度方向开通矩形槽20，矩形槽20内放置矩形管21，矩形管21一端封闭，另一端两侧焊接两个把手23，矩形管21内放置径向充磁强力磁铁22。

所述冷却系统30包括循环风冷冷水机31，循环风冷冷水机31自带有储水箱32和水泵35，储水箱32上设有最高水位显示窗33，循环风冷冷水机31出水管路37上设置有温度显示装置34，温度显示装置34与出水管路37相连，出水管路37与流量调节装置29相连，流量调节装置29设有2个出水41、2个回水42，共4个快速接头，两个出水快速接头41通过PVC软管43与焊接平台16一端的两个冷却孔19上设置的进水快速接头相连，另两个回水快速接头42通过PVC软管44与焊接平台16另一端的两个冷却孔上设置的出水快速接头相连，PVC软管耐压不小于0.6Mpa，耐温不低于100℃。

所述的隔磁套6为搅拌头1上圆环形衬套，隔磁套6一端带有套肩，另一端一侧外壁开设有定位孔9。

所述的强力磁铁5为钕铁硼磁铁，径向充磁，表面镀铬，呈圆环状，外径至内径之间开设有定位孔10，

所述隔磁板4采用聚氯乙烯(PVC)或纸质材料制得，呈圆环状，外径和内径尺寸与所述强力磁铁5尺寸一致，厚度1～1.5mm。

本发明细化晶粒的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装搅拌头1，将带有强磁铁5的搅拌头1夹持部分2装入改造的X5032型升降台铣床旋转主轴12夹持孔中夹紧；

步骤二、焊件24两端加装导线25，焊接前，将两块不留间隙对接焊工件24两端离端面2mm处、对接缝两侧10mm处钻两个5mm通孔，两根导线25一端分别放置在工件24两端对接缝上，采用铆接方法将导线25端部铜鼻子部分26铆紧，两根导线25另一端分别与外加直流电源27正负极K1、K2连接，焊接时施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致；

步骤三、焊件24清理，将待焊工件24对接缝两侧15mm～20mm范围内，先用钢丝刷清理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干净；

步骤四、焊件24固定，将焊接平台16固定在所述改造的X5032型铣床升降台28上，然后将清理干净的对接焊工件24放置在焊接平台16的焊接工作区，工件对接缝与搅拌头1对正，保证焊接过程中，搅拌头1不偏离对接缝中心，在对接焊工件24两侧，每侧3个，用所述压板夹具49对称夹紧，对称压板夹具49间距65mm，以不妨碍搅拌头1上安装的强力磁铁旋转5；

步骤五、放置矩形管21及管内强力磁铁22，将所述矩形管21及管内强力磁铁22放入矩形槽20内，强力磁铁22放置时与强力磁铁5同名磁极相对，借助管端把手23，在焊接过程中移动矩形管21，使矩形管21内强力磁铁22随着搅拌头1沿着焊接方向同步移动；所述同名磁极相对，即两个N极相对或两个S极相对，由于磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极，同名磁极相对时，磁感线密集经过焊件对接缝，对接缝处表现出较强的磁场强度，由于磁场的作用效果可以深入到原子、电子尺度，只要有电子的存在，就会产生一个细小的磁场，外磁场可以通过对这种小磁场的作用，影响到原子运动和重组，并影响到位错行为，从而对材料塑性变形能力产生直接的影响，磁致塑性效应有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到细化晶粒的作用，焊接接头综合性能得到显著提高；

步骤六、工艺参数选取：

(1)选取外加电压、电流参数：直流电压为0V～3V，直流电流为100A～400A；

(2)选取焊接工艺参数：搅拌头1旋转速度为600r/min～1200r/min，焊接速度为37.5mm/min～90mm/min，轴肩14压入工件表面深度为0.15mm～0.2mm，当电压、电流取上限时，搅拌头1旋转速度取600r/min～950r/min，焊接速度取60mm/min～90mm/min，当电压、电流取下限时，搅拌头1旋转速度取950r/min～1200r/min，焊接速度取37.5mm/min～47.5mm/min；

步骤七、启动冷却系统30：启动前，先向冷却系统30储水箱31加水，加水量到储水箱32液位窗33最高点，约20～30L，确保焊接过程对焊接接头的冷却效果，加水后，连接管路，启动冷却系统30，启动后，采用手动预置方式调节流量调节装置29，使浮子39稳定在某一高度；

步骤八、施加直流电流：焊接前，打开直流稳压电源27开关，给焊件24对接缝施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致，在金属塑性变形时，在材料变形方向辅助于电流，电流通过金属材料时，会产生大量的定向漂移的自由电子，称为电子风，漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段施加一个电子风力作用，促进位错在其滑移面上移动，同时，施加电流时电能、热能和应力被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，从而金属易于产生塑性变形，减少孔洞缺陷，晶粒得到细化，尤其高熔点金属材料焊接，电子风力作用使焊接工艺窗口变宽，能耗大大下降，搅拌头寿命显著提高；

步骤九、启动改装的作为搅拌摩擦焊设备的万能铣床，操作万能铣床，使所述搅拌头1位于待焊工件24对接缝一端10～15mm处进行焊接。

本发明提供了一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及细化晶粒的方法，该装置结构简单，使用方便，焊接效率高，细化组织晶粒可靠，具体方法是：在搅拌头1本体上设置强力磁铁5，在焊接平台16底部设置与搅拌头1同步移动的同名磁极相对的强力磁铁22，同时，在焊件24上施加与焊接方向一致的直流电流，在焊件24底部焊接平台16上设置强制水冷却通道19，焊接时，搅拌头1本体携带强力磁铁5做高速旋转运动形成旋转磁场，加之正下方同名极性强力磁铁22形成的静磁场，动、静磁场使搅拌摩擦焊金属发生塑性变形过程中，产生涡流，涡流方向随旋转磁场方向瞬时改变，对搅拌区的位错运动产生较大的促进作用，从而加剧晶粒发生动态再结晶，使晶粒得到细化；在焊件对接缝上施加定向电流，引入电子风力作用，瞬时，电磁辅助搅拌摩擦焊接双重作用影响使金属内部位错运动的强化效果大大增强，位错的逾越障碍大大降低，电磁双重作用可以改变焊缝金属凝固状况和凝固过程温度分布，改善组织、相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低缺陷，并使焊接能耗降低，焊接效率提高，形成综合性能优良的焊接接头；搅拌区剧烈的塑性变形温度，使破碎细化的晶粒具有长大倾向，冷却水强制冷却焊件，带走热量，阻止晶粒长大，从而形成稳定的细晶组织。电磁辅助搅拌摩擦焊装置及细化晶粒的方法，实现了高效、优质、低成本的高熔点金属和轻合金搅拌摩擦焊接过程，是一种绿色制造和可持续发展模式。

附图说明

图1为电磁辅助搅拌摩擦焊接装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做详细叙述。

参照图1，一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头1、焊接平台16、压板夹具49和冷却系统30。

参照图1，所述搅拌头1包括夹持部分2，夹持部分2下端开设有挡圈槽3，挡圈槽3下端9mm处开设有M4mm定位螺纹孔8，挡圈槽3下端与最大外径轴台阶7之间套装有隔磁套6，隔磁套6一侧外壁开设有定位孔9，隔磁套6靠搅拌头1最大外径轴台阶7第一定位，隔磁套6上套装有强力磁铁5，强力磁铁5内径与隔磁套6外径紧配合，强力磁铁5靠隔磁套6端部的套肩第一定位，强力磁铁5外径至内径开设有定位孔10，强力磁铁5径向定位孔10与M4mm定位螺纹孔8和隔磁套6一侧外壁开设的定位孔9三者中心线重合，采用M4mm不锈钢螺钉拧紧，使隔磁套6、强力磁铁5第二定位，强力磁铁5上表面设有隔磁板4，紧靠隔磁板4的挡圈槽3里设有弹性挡圈11压紧隔磁板4，最大外径轴台阶7下端为过渡圆柱13，过渡圆柱13下端为轴肩14，轴肩下端为搅拌针15。

所述隔磁套6为搅拌头1上圆环形衬套，采用酚醛塑料又称胶木，或聚酰胺纤维又称尼龙材料加工而成，长18.7mm，外径21-0.2mm，内径18+0.1mm，隔磁套6一端带有外径厚1.7mm的套肩，离另一端9mm位置一侧外壁开设有定位孔9，隔磁套6具有隔磁作用，方便强力磁铁5安装到搅拌头1上和从搅拌头1上卸取。

所述强力磁铁5，牌号:N35，为钕铁硼磁铁，径向充磁，表面镀铬，呈圆环状，外径内径厚度17mm，外径至内径之间离端面9mm位置开设有定位孔10，强力磁铁性能参数：剩磁感应强度Br(T)：1.17～1.21，矫顽力Hcb(KA/m)：876～899，内禀矫顽力Hcj(KA/m)：:≥955，最大磁能积BH(KJ/m³):263～279，工作温度Tw(℃)：80。

所述隔磁板4采用聚氯乙烯(PVC)或纸质材料制得，呈圆环状，外径和内径尺寸与所述强力磁铁5尺寸一致，厚度1～1.5mm，其作用是：防止所述搅拌头1安装和卸取时搅拌头1上套装的强力磁铁5吸到步骤一所述旋转主轴12上，隔磁板4能使吸到旋转主轴12上的磁力减少，方便搅拌头安装和卸取。

所述轴肩14为圆柱形，焊接时，压入工件表面深度0.15mm～0.2mm，其作用：一是，通过与工件表面间的摩擦提供焊接电源；二是，提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。

所述搅拌针15为圆锥台，小头端朝下，圆锥台锥度为1:1.35，小头直径为焊接材料厚度0.9-1.1倍，搅拌针的作用：一是，搅拌针通过与结合面间的摩擦提供热输入；二是，通过对焊接材料机械搅拌，使其产生塑性流变。圆锥台设计目的：一是，圆锥台搅拌针较圆柱形搅拌针受力面积和下压力都增大，由于其摩擦面积比圆柱形搅拌针大而产热增多，比圆柱形搅拌针焊缝区平滑，前进侧和返回侧较对称，二是，圆锥台搅拌针由小面到大面，力矩增大，增加了搅拌针的强度，同时也减少了焊件厚度方向上的温度差，进而减少了搅拌头的磨损。

所述焊接平台16为两侧带紧固耳的球墨铸铁平台，尺寸：400mm×300mm×48mm，焊接平台上表面设置有平行于长度方向三道未开通的T型槽，中间T型槽17设在宽度中心线上，最中间120mm未开通，两侧T型槽18以中间T型槽17对称布置，中心距110mm，两侧T型槽18最中间74mm未开通，未开通区域作为待焊工件焊接工作区，焊接平台表面下方9mm处以长度中心线为对称沿宽度方向开通中心距30mm、直径两个冷却孔19，冷却孔19两端开设有M10×1.0螺纹，螺纹孔装有4个快速接头，焊接平台16底面在长度中心位置沿宽度方向开通宽65mm、高24mm的矩形槽20，矩形槽20内放置长×宽×高×壁厚为300mm×(64±0.5)mm×(23±0.5)mm×1mm奥氏体不锈钢矩形管21，矩形管21一端封闭，另一端两侧焊接两个把手23，矩形管21内放置厚18mm径向充磁强力磁铁22，为使强力磁铁22能顺利进出矩形管21，矩形管21采用奥氏体不锈钢制作，借助矩形管21两侧把手23可使管内强力磁铁22与搅拌头1本体上套装的强力磁铁5同步移动。

所述压板夹具49为市场购置的机床用快速夹具，型号：A4-M12-105，长×宽×高：150mm×50mm×60mm，夹持工件高度：(0-105)mm，呈弧形结构，弧形一端设有活动压座45，活动压座45面积750mm²，较大面积以保证压紧工件时不损伤工件表面，弧形另一端为弧形硬支撑46，弧形体上设有台阶定位槽，台阶定位槽上设有移动带孔定位垫块47，使用时将活动压座45放置在工件上，T型螺栓48由焊接平台16T型槽内伸出，带螺纹端插入带孔定位垫块47，不同高度工件压紧时，将带孔定位垫块47放入不同高度台阶定位槽内，用锁紧螺母锁紧，即可实现对不同高度待加工件快速夹紧，使用方便，夹紧效率高。

所述冷却系统30包括循环风冷冷水机31，循环风冷冷水机31自带有储水箱32、水泵35，储水箱32上设有最高水位显示窗33，循环风冷冷水机31出水管路37上设置有温度显示装置34，温度显示装置34与出水管路37相连，出水管路37与流量调节装置29相连，流量调节装置29设有2个出水41、2个回水42，共4个快速接头，两个出水快速接头41通过PVC软管43与焊接平台16一端的两个冷却孔19上设置的进水快速接头相连，两个回水快速接头42通过PVC软管44与焊接平台16另一端的两个冷却孔上设置的出水快速接头相连，PVC软管耐压不小于0.6Mpa，耐温不低于100℃。焊接时，冷却水在焊件24底部循环流动带走热量，冷却水系统30的设置在保证焊接金属塑性应变速率的情况下实现对焊缝搅拌区塑变金属的温度控制，达到减小焊接热影响区的宽度，降低高温停留时间，减缓晶粒长大倾向和改善焊接接头性能的目的。

所述流量调节装置29为浮子流量计，其流量检测原件是由4组自下向上的垂直透明锥形管40、4个沿着透明锥形管轴上下移动的浮子39以及透明锥形管40端的流量调节阀38组成，焊接时，调节流量调节阀38使浮子39稳定在某一高度，浮子39在透明锥形管40中高度和通过的流量有对应关系，焊接过程中实时根据冷却水温度调节流量大小，以保证强制冷却效果；

本发明细化晶粒的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装搅拌头1，将带有强磁铁5的搅拌头1夹持部分2装入改造的X5032型升降台铣床旋转主轴12夹持孔中夹紧；

步骤二、焊件24两端加装导线25，焊接前，将两块不留间隙对接焊工件24两端离端面2mm处、对接缝两侧10mm处钻两个5mm通孔，两根导线25一端分别放置在工件24两端对接缝上，采用铆接方法将导线25端部铜鼻子部分26铆紧，两根导线25另一端分别与外加直流电源27正负极K1、K2连接，焊接时施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致；

步骤三、焊件24清理，将待焊工件24对接缝两侧15mm～20mm范围内，先用钢丝刷清理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干净；

步骤四、焊件24固定，将焊接平台16固定在所述改造的X5032型铣床升降台28上，然后将清理干净的对接焊工件24放置在焊接平台16的焊接工作区，工件对接缝与搅拌头1对正，保证焊接过程中，搅拌头1不偏离对接缝中心，在对接焊工件24两侧，每侧3个，用所述压板夹具49对称夹紧，对称压板夹具49间距65mm，以不妨碍搅拌头1上安装的强力磁铁旋转5；

步骤五、放置矩形管21及管内强力磁铁22，将所述矩形管21及管内强力磁铁22放入矩形槽20内，强力磁铁22放置时与强力磁铁5同名磁极相对，借助管端把手23，在焊接过程中移动矩形管21，使矩形管21内强力磁铁22随着搅拌头1沿着焊接方向同步移动；所述同名磁极相对，即两个N极相对或两个S极相对，由于磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极，同名磁极相对时，磁感线密集经过焊件对接缝，对接缝处表现出较强的磁场强度，由于磁场的作用效果可以深入到原子、电子尺度，只要有电子的存在，就会产生一个细小的磁场，外磁场可以通过对这种小磁场的作用，影响到原子运动和重组，并影响到位错行为，从而对材料塑性变形能力产生直接的影响，磁致塑性效应有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到细化晶粒的作用，焊接接头综合性能得到显著提高；

步骤六、工艺参数选取：

(1)选取外加电压、电流参数：直流电压为0V～3V，直流电流为100A～400A；

(2)选取焊接工艺参数：搅拌头1旋转速度为600r/min～1200r/min，焊接速度为37.5mm/min～90mm/min，轴肩14压入工件表面深度为0.15mm～0.2mm，当电压、电流取上限时，搅拌头1旋转速度取600r/min～950r/min，焊接速度取60mm/min～90mm/min，当电压、电流取下限时，搅拌头1旋转速度取950r/min～1200r/min，焊接速度取37.5mm/min～47.5mm/min；

步骤七、启动冷却系统30：启动前，先向冷却系统30储水箱31加水，加水量到储水箱32液位窗33最高点，约20～30L，确保焊接过程对焊接接头的冷却效果，加水后，连接管路，启动冷却系统30，启动后，采用手动预置方式调节流量调节装置29使浮子37稳定在某一高度；

步骤八、施加直流电流：焊接前，打开直流稳压电源27开关给焊件24对接缝施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致，在金属塑性变形时，在材料变形方向辅助于电流，电流通过金属材料时，会产生大量的定向漂移的自由电子，称为电子风。漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段施加一个电子风力作用，促进位错在其滑移面上移动，同时，施加电流时电能、热能和应力是被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，从而金属易于产生塑性变形，减少孔洞缺陷，晶粒得到细化，尤其高熔点金属材料焊接，电子风力作用使焊接工艺窗口变宽，能耗大大下降，搅拌头寿命显著提高；

步骤九、启动改装的作为搅拌摩擦焊设备的万能铣床，操作万能铣床使所述搅拌头1位于待焊工件24对接缝一端10～15mm处进行焊接。

实施例一

按照本发明的方法，采用本装置焊接3mm厚Q235低碳钢，焊件强制冷却，搅拌头本体为钨合金钢，轴肩直径为搅拌针为锥台状，小头直径3mm，大头直径5mm，长2.7mm；焊接工艺参数：搅拌头旋转速度为950r/min，焊接速度为47.5mm/min，辅助电压、电流分别为0V，300A，焊接长度120mm，焊后，焊缝成形良好，表面形成的弧形纹间距分布均匀，未出现缺陷，焊缝组织晶粒为等轴晶，晶粒均匀化程度高，和母材相比较细化显著，焊接接头的抗拉强度达到母材的89.6％，搅拌头磨损较轻。

对比例一：

焊接3mm厚Q235低碳钢，搅拌头本体为钨合金钢，轴肩直径为搅拌针为锥台状，小头直径3mm，大头直径5mm，长2.7mm；焊接工艺参数：搅拌头旋转速度为950r/min，焊接速度为47.5mm/min，与实施例一不同的是：搅拌头本体上及焊接工作台底部未加强力磁铁，焊件未施加直流电流，也无强制冷却，焊接时，无法形成有效连接，且搅拌针粘着严重，轴肩有磨损。

实施例二：

按照本发明的方法，采用本装置焊接3mm厚6063铝合金，焊件强制冷却，搅拌头本体为W18Cr4V，轴肩直径为搅拌针为锥台状，小头直径3mm，大头直径5mm，长2.7mm；焊接工艺参数：搅拌头旋转速度为600r/min，焊接速度为90mm/min，辅助电压、电流分别为0V，220A，焊接长度120mm，焊后，焊缝成形良好，表面较光滑，未出现缺陷，焊缝组织晶粒为微细等轴晶，晶粒均匀化程度高，平均晶粒尺寸约为1.5μm，焊接接头的抗拉强度达到母材的95.6％，搅拌头磨损较轻。

对比例二：

焊接3mm厚6063铝合金，搅拌头本体为W18Cr4V，轴肩直径为搅拌针为锥台状，小头直径3mm，大头直径5mm，长2.7mm；焊接工艺参数：搅拌头旋转速度为600r/min，焊接速度为90mm/min，与实施例二不同的是：搅拌头本体上及焊接工作台底部未加强力磁铁，焊件未施加直流电流，也无强制冷却，焊接时，表面成形较差，疏松、有孔洞，且搅拌针和轴肩粘着严重，使得焊接阻力大，搅拌头有卡停现象。

上述实施例可以看出，采用本发明的装置进行高熔点或低熔点材料搅拌摩擦焊焊接，可有效降低高熔点或低熔点材料搅拌摩擦焊的难度，同时，焊缝组织晶粒细化程度高，焊接参数取值有利于减小搅拌头的磨损，延长搅拌头的使用寿命。

Claims (8)

1.一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，包括位于焊接平台(16)上方的搅拌头(1)、与焊接平台(16)配合的压板夹具(49)，以及跟焊接平台(16)配套使用的冷却系统(30)；

所述搅拌头(1)包括夹持部分(2)，夹持部分(2)下端开设有挡圈槽(3)，挡圈槽(3)下端9mm处开设有M4mm定位螺纹孔(8)，挡圈槽(3)下端与最大外径轴台阶(7)之间套装有隔磁套(6)，隔磁套(6)一侧外壁开设有定位孔(9)，隔磁套(6)通过搅拌头(1)最大外径轴台阶(7)第一定位，隔磁套(6)上套装有强力磁铁(5)，强力磁铁(5)内径与隔磁套(6)外径紧配合，强力磁铁(5)通过隔磁套(6)端部的套肩第一定位，强力磁铁(5)外径至内径开设有定位孔(10)，强力磁铁(5)径向定位孔10与M4mm定位螺纹孔(8)和隔磁套(6)一侧外壁开设的定位孔(9)三者中心线重合，采用M4mm不锈钢螺钉拧紧使隔磁套(6)、强力磁铁(5)第二定位，强力磁铁(5)上表面设有隔磁板(4)，紧靠隔磁板(4)的挡圈槽(3)里设有弹性挡圈(11)压紧隔磁板(4)，最大外径轴台阶(7)下端为过渡圆柱(13)，过渡圆柱(13)下端为轴肩(14)，轴肩下端为搅拌针(15)。

2.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌针(15)为圆锥台，小头端朝下，圆锥台锥度为1:1.35，小头直径为焊接材料厚度0.9-1.1倍。

3.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述焊接平台(16)为两侧带紧固耳的球墨铸铁平台，焊接平台(16)上表面设置有平行于长度方向三道未开通的T型槽，中间T型槽(17)设在宽度中心线上，两侧T型槽(18)以中间T型槽(17)对称布置，两侧T型槽(18)最中间未开通，未开通区域作为待焊工件焊接工作区，焊接平台表面下方以长度中心线为对称沿宽度方向开通两个冷却孔(19)，冷却孔(19)两端开设有螺纹孔，螺纹孔装有4个快速接头，焊接平台(16)底面在长度中心位置沿宽度方向开通矩形槽(20)，矩形槽(20)内放置矩形管(21)，矩形管(21)一端封闭，另一端两侧焊接两个把手(23)，矩形管(21)内放置径向充磁强力磁铁(22)。

4.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述冷却系统(30)包括循环风冷冷水机(31)，循环风冷冷水机(31)自带有储水箱(32)和水泵(35)，储水箱(32)上设有最高水位显示窗(33)，循环风冷冷水机(31)出水管路(37)上设置有温度显示装置(34)，温度显示装置(34)与出水管路(37)相连，出水管路(37)与流量调节装置(29)相连，流量调节装置(29)设有2个出水(41)、2个回水(42)，共4个快速接头，两个出水快速接头(41)通过PVC软管(43)与焊接平台(16)一端的两个冷却孔(19)上设置的进水快速接头相连，另两个回水快速接头(42)通过PVC软管(44)与焊接平台(16)另一端的两个冷却孔上设置的出水快速接头相连。

5.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述的隔磁套(6)为搅拌头(1)上圆环形衬套，隔磁套(6)一端带有套肩，另一端一侧外壁开设有定位孔(9)。

6.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述的强力磁铁(5)为钕铁硼磁铁，径向充磁，表面镀铬，呈圆环状，外径至内径之间开设有定位孔(10)。

7.根据权利要求1所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述隔磁板(4)采用聚氯乙烯或纸质材料制得，呈圆环状，外径和内径尺寸与所述强力磁铁(5)尺寸一致，厚度1～1.5mm。

8.基于权利要求1-7任意一项所述的一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置细化晶粒的方法，其特征在于，通过以下步骤实现的：

步骤一、安装搅拌头(1)，将带有强磁铁(5)的搅拌头(1)夹持部分(2)装入改造的X5032型升降台铣床旋转主轴(12)夹持孔中夹紧；

步骤二、焊件(24)两端加装导线(25)，焊接前，将两块不留间隙对接焊工件(24)两端离端面2mm处、对接缝两侧10mm处钻两个5mm通孔，两根导线(25)一端分别放置在工件(24)两端对接缝上，采用铆接方法将导线(25)端部铜鼻子部分(26)铆紧，两根导线(25)另一端分别与外加直流电源(27)正负极K1、K2连接，焊接时施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致；

步骤三、焊件(24)清理，将待焊工件(24)对接缝两侧15mm～20mm范围内，先用钢丝刷清理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干净；

步骤四、焊件(24)固定，将焊接平台(16)固定在所述改造的X5032型铣床升降台(28)上，然后将清理干净的对接焊工件(24)放置在焊接平台(16)的焊接工作区，工件对接缝与搅拌头(1)对正，保证焊接过程中，搅拌头(1)不偏离对接缝中心，在对接焊工件(24)两侧，每侧3个，用所述压板夹具(49)对称夹紧，对称压板夹具(49)间距65mm，以不妨碍搅拌头(1)上安装的强力磁铁旋转(5)；

步骤五、放置矩形管(21)及管内强力磁铁(22)，将所述矩形管(21)及管内强力磁铁(22)放入矩形槽(20)内，强力磁铁(22)放置时与强力磁铁5同名磁极相对，借助管端把手(23)，在焊接过程中移动矩形管(21)，使矩形管(21)内强力磁铁(22)随着搅拌头(1)沿着焊接方向同步移动；所述同名磁极相对，即两个N极相对或两个S极相对，由于磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极，同名磁极相对时，磁感线密集经过焊件对接缝，对接缝处表现出较强的磁场强度，由于磁场的作用效果可以深入到原子、电子尺度，只要有电子的存在，就会产生一个细小的磁场，外磁场可以通过对这种小磁场的作用，影响到原子运动和重组，并影响到位错行为，从而对材料塑性变形能力产生直接的影响，磁致塑性效应有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到细化晶粒的作用，焊接接头综合性能得到显著提高；

步骤六、工艺参数选取：

(1)选取外加电压、电流参数：直流电压为0V～3V，直流电流为100A～400A；

(2)选取焊接工艺参数：搅拌头(1)旋转速度为600r/min～1200r/min，焊接速度为37.5mm/min～90mm/min，轴肩(14)压入工件表面深度为0.15mm～0.2mm，当电压、电流取上限时，搅拌头(1)旋转速度取600r/min～950r/min，焊接速度取60mm/min～90mm/min，当电压、电流取下限时，搅拌头(1)旋转速度取950r/min～1200r/min，焊接速度取37.5mm/min～47.5mm/min；

步骤七、启动冷却系统(30)：启动前，先向冷却系统(30)的储水箱(31)加水，加水量到储水箱(32)的液位窗(33)最高点，约20～30L，确保焊接过程对焊接接头的冷却效果，加水后，连接管路，启动冷却系统(30)，启动后，采用手动预置方式调节流量调节装置(29)，使浮子(37)稳定在某一高度；

步骤八、施加直流电流：焊接前，打开直流稳压电源(27)开关，给焊件(24)对接缝施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致，在金属塑性变形时，在材料变形方向辅助于电流，电流通过金属材料时，会产生大量的定向漂移的自由电子，称为电子风；漂移电子群频繁地定向撞击位错，会对位错段施加一个电子风力作用，促进位错在其滑移面上移动，同时，施加电流时电能、热能和应力被瞬时输入到材料中，原子的随机热运动在脉冲电流瞬时冲击力作用下获得足够的动能离开平衡位置，原子的扩散能力加强，位错更容易滑移、攀移，从而金属易于产生塑性变形，减少孔洞缺陷，晶粒得到细化，尤其高熔点金属材料焊接，电子风力作用使焊接工艺窗口变宽，能耗大大下降，搅拌头寿命显著提高；

步骤九、启动改装的作为搅拌摩擦焊设备的万能铣床，操作万能铣床，使所述搅拌头(1)位于待焊工件(24)对接缝一端10～15mm处进行焊接。