CN105965152B - 一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，在焊接过程中，固定在搅拌针外罩的导电滑环的定子导线与电源一端相连，在搅拌针周围特定位置固定导电滑环的转子，转子与搅拌针内部电极以点接触方式导通，电极、导电滑环的转子与搅拌针之间均设有绝缘层，静轴肩与外接电源的另一端相连。本发明还提供一种载流静轴肩搅拌摩擦焊设备包括：搅拌针夹头、转动轴、搅拌针外罩、外接电源、静轴肩、搅拌针、电极以及导电滑环。采用本发明的技术方案，避免了传统高强度金属焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生，降低材料的变形抗力、提高材料的塑性，使晶粒细化，降低了搅拌针在焊接过程中的磨损，有效的提高了焊接质量与工作效率。

Description

一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种用于钢材或钛合金等高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备，可以应用于各工业领域的汽车、轮船、航天器等焊接成型。

背景技术

焊接技术发展至今，追求的目标是高质、高效和高速，对于焊接方法的选择要求也越来越高，传统的电弧焊对高强钢的焊接极容易产生焊接裂纹、气孔、夹渣等多钟缺陷，已经很难满足高强钢焊接的要求。

搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)作为一种新型的固相连接方法，具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点，通过高速旋转的搅拌头插入工件，并沿焊接方向运行，单纯依靠搅拌头探针和轴肩与工件的机械作用产生的摩擦热使金属软化，软化后的金属随着搅拌针的转动发生塑性流动，则工件可搅拌混合，依靠搅拌、重结晶的作用，实现材料连接的固相焊接，但焊后的塑性、强度等未能达到要求，对于像钛合金、不锈钢以及其他高温合金等结构材料的固相连接应用方面并不理想。这主要是由于这些金属熔点高、硬度大，金属仅仅靠机械力和摩擦的热量输人不足以得到较好的塑性软化组织，不能形成良好的焊接接头。

静轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)，主要是为了提高高熔点、硬度大的金属合金FSW焊接性，改善焊缝成形和接头的性能，在焊接过程中，内部搅拌针处于旋转状态，而外部轴肩不转动，仅沿着焊接方向前进，在传统的FSW过程中，轴肩转动，大部分热量产生在工件表面和轴肩的接触处。熔点高，热导率低的金属合金，热加工温度区间窄，导致传统FSW接头在板厚方向上存在较大的温度梯度，接头的受热不均，因而其性能下降。而SSFSW由于内部搅拌针转动而外部轴肩不转动，接头的热输入更均匀，热源集中在搅拌针周围，所以搅拌针在摩擦产热和材料变形中起着重要的作用，工件的变形将由搅拌针决定，从而提高了焊接过程的稳定性，解决焊缝表面过热的问题。

目前重庆大学罗键在其专利“导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号CN200710092974.7)中提出，在搅拌摩擦焊的同时,在工件焊缝方向上通以电流,该电流与其流经的焊缝和摩擦搅拌焊接区的接触电阻产生电阻热,该电阻热与搅拌摩擦热形成搅拌摩擦焊的复合热源,从而实现导电搅拌摩擦复合热源焊接过程。当焊缝过长，工件焊缝方向上长时间通电，导致焊缝金属在电阻热作用下热量分布不均匀，难以达到整条焊缝性能一致的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服了钢、钛合金等高强度金属焊接方法上的缺陷及不足，提供一种用于钢材或钛合金等高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备，避免了传统高强度金属焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生，降低材料的变形抗力、提高材料的塑性，同时也可解决在焊接过程中搅拌针通电时搅拌针在电阻热的作用下更易损耗的问题，也可使晶粒细化，有效的提高了焊接质量与工作效率。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过外接电源对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，使搅拌针中间部位的电极通电，随着旋转的搅拌针与焊接母材接触，直到搅拌针完全压入待焊母材，此时轴肩与工件表面接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩，电流通过外接电源、导电滑环的定子导线、导电滑环的定子、导电滑环的转子、电极、焊接母材、静轴肩、外接电源形成闭合回路，电流通过待焊工件，所述待焊工件在电流作用下可产生电阻热，所述搅拌摩擦焊在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。

作为优选，所述导电滑环为空心圆柱式导电滑环，所述搅拌针为圆柱体搅拌针。

作为优选，所述电极包括：沿着搅拌针长度方向形成的第一子电极、沿搅拌针直径方向形成的第二子电极。

一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备包括：搅拌针夹头、转动轴、搅拌针外罩、外接电源、静轴肩、搅拌针、电极以及导电滑环，其中，

外接电源一端与导电滑环的定子导线连接，导电滑环的定子固定在搅拌针外罩上，且导电滑环的定子与搅拌针外罩之间设有定子绝缘层，搅拌针外罩上端固定在搅拌摩擦设备上，搅拌针外罩下端与静轴肩相接，所述静轴肩与外加电源的另一端连接；导电滑环的转子固定于搅拌针指定位置；

所述搅拌针的中心部位有电极，导电滑环的转子与搅拌针之间设有绝缘层，搅拌针内部的电极与搅拌针之间设有绝缘层，导电滑环的转子与搅拌针内部的电极以点接触方式导通；

当外接电源工作时，对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，使搅拌针中间部位的电极通电，焊接过程中随着搅拌针与焊接母材的接触，搅拌针完全压入待焊母材，此时轴肩与工件表面接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩，电流即可通过外接电源、导电滑环的定子导线、导电滑环的定子、导电滑环的转子、电极、焊接母材、静轴肩、外接电源形成闭合回路。

作为优选，所述导电滑环为空心圆柱式导电滑环，所述搅拌针为圆柱体搅拌针。

作为优选，搅拌针紧固在搅拌针夹头下端，搅拌针在搅拌针夹头、转动轴共同作用下旋转，搅拌针旋转压入母材。

作为优选，导电滑环的定子通过多组定子固定螺栓、定子固定螺母及垫片固定在搅拌针外罩上。

作为优选，导电滑环的转子通过两组转子固定螺母和转子固定螺栓固定于搅拌针指定位置。

作为优选，所述电极包括：沿着搅拌针长度方向形成的第一子电极、沿搅拌针直径方向形成的第二子电极。

与现有焊接技术相比，本发明方法的优点如下：

(1)焊接接头热影响区显微组织变化小.残余应力比较低，焊接工件不易变形，无需添加焊丝，不需要保护气体，成本低，焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等；

(2)操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，高质量，效率高；

(3)与普通焊接方法相比，避免了焊接高强度材料时焊缝中焊接裂纹、气孔、夹渣等缺陷的产生。电致塑性效应还可以使晶粒细化，修复材料损伤、改善产品强度、疲劳性能及耐腐蚀性，缩短焊接时间，减少搅拌针磨损。

附图说明

图1为本发明载流静轴肩搅拌摩擦焊的结构示意图；

图2为本发明搅拌针与导电滑环连接俯视图。

图中：1、母材，2、静轴肩，3、静轴肩连接螺钉，4、静轴肩连接导线，5、搅拌针外罩，6、导电滑环的定子，7、定子绝缘层，8、外加电源，9、搅拌针，10、绝缘层，11、导电滑环的定子导线，12、电极，13、导电滑环的转子，14、搅拌针夹头，15、转动轴，16、载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，17、定子固定螺栓，18、定子固定螺母，19、垫片，20、转子固定螺母，21、转子固定螺栓。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。

本发明提供一种用于钢材或钛合金等高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备，适用于静轴肩搅拌摩擦焊焊接，尤其适用于高强度金属的静轴肩搅拌摩擦焊。

本发明实施例提供一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过外接电源对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，使搅拌针中间部位的电极通电，随着旋转的搅拌针与焊接母材接触，直到搅拌针完全压入待焊母材，此时轴肩与工件表面接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩，电流通过外接电源、导电滑环的定子导线、导电滑环的定子、导电滑环的转子、电极、焊接母材、静轴肩、外接电源形成闭合回路，电流通过待焊工件，所述待焊工件在电流作用下可产生电阻热，所述搅拌摩擦焊在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。

作为优选，所述导电滑环为空心圆柱式导电滑环，所述搅拌针为圆柱体搅拌针。

作为优选，所述电极包括：沿着搅拌针长度方向形成的第一子电极、沿搅拌针直径方向形成的第二子电极。

为了在焊接过程中获得成形良好的焊缝，进一步提高金属的焊接性，本发明采用载流SSFSW，在搅拌针与静轴肩通电，可增大焊接过程中热输入并且热量更加集中在待焊接处。在电流作用下，金属材料产生电致塑性，使SSFSW在摩擦热、电阻热以及电流共同作用下完成焊接，焊接处提供的热量使半固态的金属软化更明显甚至出现熔化状态。避免了传统高强度金属焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生，降低材料的变形抗力、提高材料的塑性，使晶粒细化，有效的提高了焊接质量与工作效率。

如图1、2所示，本发明实施例还提供一种载流静轴肩搅拌摩擦焊设备16包括：搅拌针夹头14、转动轴15、搅拌针外罩5、外接电源8、静轴肩2、搅拌针9、电极12以及导电滑环，其中，所述导电滑环为空心圆柱式导电滑环，所述搅拌针9为圆柱体搅拌针。

搅拌针9紧固在搅拌针夹头14下端，搅拌针9在搅拌针夹头14、转动轴15共同作用下旋转，搅拌针9旋转压入母材1。

外接电源8一端与导电滑环的定子导线11连接，导电滑环的定子6通过多组定子固定螺栓17、定子固定螺母18及垫片19固定在搅拌针外罩5上，且导电滑环的定子6与搅拌针外罩5之间设有定子绝缘层7，搅拌针外罩5上端固定在搅拌摩擦设备16上，搅拌针外罩5下端与静轴肩2通过静轴肩连接螺钉3相接；导电滑环的转子13通过两组转子固定螺母20和转子固定螺栓21固定于搅拌针9指定位置。

所述搅拌针9的中心部位有电极12，所述电极12包括：沿着搅拌针长度方向形成的第一子电极、沿搅拌针直径方向形成的第二子电极，导电滑环的转子13与搅拌针9之间设有绝缘层10，搅拌针9内部的电极12与搅拌针9之间设有绝缘层10；导电滑环的转子13与搅拌针9内部的电极12以点接触方式导通。

静轴肩2与外加电源8的另一端通过静轴肩连接导线4相连。

当外接电源8工作时，对固定在搅拌针9外侧的导电滑环定子导线11通电，使搅拌针9中间部位的电极12通电，焊接过程中随着搅拌针与焊接母材的接触，电流通过焊接母材1流向静轴肩2，静轴肩2与外接电源8的另一端相连。电流即可通过外接电源8—导电滑环的定子导线11—导电滑环的定子6—导电滑环的转子13—电极12—焊接母材1—静轴肩2—外接电源8形成闭合回路。其中，搅拌针9与搅拌针内部电极12之间设有绝缘层10，在焊接过程中搅拌针9中没有电流通过，不参与导电；静轴肩2在焊接过程中与外接电源8相连，焊接过程中参与导电但不参与摩擦产热。

本发明的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备，操作简易，能够适应多种焊接环境，在焊接过程中，通过外接电源对导电滑环通电，电流通过导电滑环传导给搅拌针内部的电极，随着搅拌头与待焊母材的接触，电流即可与母材形成闭合回路。因此此种载流SSFSW是在摩擦热、电阻热以及电流共同作用下完成焊接，在电阻热的作用下，焊接部位产生热量较高且集中，使焊缝中金属流动性更好；在较大电流作用下，金属材料产生电致塑性，使变形抗力下降，塑性提高，还可以使焊缝中组织均匀化，起到细化晶粒、延缓马氏体相变、修复受损材料等效果。利用电致塑性效应可以改善焊缝强度、表面质量、耐疲劳、耐腐蚀等性能，避免了传统高强度材料焊接时焊接缺陷的产生，也可缩短焊接时间，减少搅拌针磨损，与传统的FSW相比，载流SSFSW焊缝成形更好、性能更加优良。

本发明的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法及设备，在焊接过程中，对空心圆柱式导电滑环通电，当搅拌针与焊接母材接触，此时由“电源——导电滑环的定子导线-----导电滑环的定子——导电滑环的转子——电极——母材——静轴间——电源”组成闭合回路，电流即可通过待焊工件，金属板材在电流作用下可产生电阻热，此种载流静轴肩搅拌摩擦焊是在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，包括：搅拌针夹头、转动轴、搅拌针外罩、外接电源、静轴肩、搅拌针、电极以及导电滑环，其中，

外接电源一端与导电滑环的定子导线连接，导电滑环的定子固定在搅拌针外罩上，且导电滑环的定子与搅拌针外罩之间设有定子绝缘层，搅拌针外罩上端固定在搅拌摩擦设备上，搅拌针外罩下端与静轴肩相接，所述静轴肩与外加电源的另一端连接；导电滑环的转子固定于搅拌针指定位置；

所述搅拌针的中心部位有电极，导电滑环的转子与搅拌针之间设有绝缘层，搅拌针内部的电极与搅拌针之间设有绝缘层，导电滑环的转子与搅拌针内部的电极以点接触方式导通；

当外接电源工作时，对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，使搅拌针中间部位的电极通电，焊接过程中随着搅拌针与焊接母材的接触，电流通过焊接母材流向静轴肩，电流即可通过外接电源、导电滑环的定子导线、导电滑环的定子、导电滑环的转子、电极、焊接母材、静轴肩、外接电源形成闭合回路。

2.如权利要求1所述的用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述导电滑环为空心圆柱式导电滑环，所述搅拌针为圆柱体搅拌针。

3.如权利要求1所述的用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，搅拌针紧固在搅拌针夹头下端，搅拌针在搅拌针夹头、转动轴共同作用下旋转，搅拌针旋转压入母材。

4.如权利要求1所述的用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，导电滑环的定子通过多组定子固定螺栓、定子固定螺母及垫片固定在搅拌针外罩上。

5.如权利要求1所述的用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，导电滑环的转子通过两组转子固定螺母和转子固定螺栓固定于搅拌针指定位置。

6.如权利要求1所述的用于高强度金属的载流静轴肩搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述电极包括：沿着搅拌针长度方向形成的第一子电极、沿搅拌针直径方向形成的第二子电极。