CN107199394A - 一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，采用搅拌摩擦头作为电阻热源的电极，通过直流开关电源给待焊工件内部提供高密度电流，给高速旋转的搅拌头进行搅拌摩擦焊接过程中提供电阻辅助热源；高速旋转的搅拌头扎入接缝两侧，通过轴肩对接缝处金属施加顶锻压力，使接缝处的金属材料软化；搅拌头使接缝处的金属组织在搅拌作用下达到塑化状态，同时采用超声波激振器对塑化的金属进行微锻处理，使接缝处的金属组织晶粒细化；搅拌头沿着接缝的方向向前进给运动，塑化的金属在搅拌头的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成焊缝；本发明减轻搅拌头的磨损，增大焊接厚度，提高焊接速率，减少焊接缺陷。

Description

一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊与成形技术领域，具体涉及一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一项固相焊接技术，最初用于低熔点金属(如铝合金和镁合金等)的连接，由于在FSW过程中没有材料的熔化，所以该技术可避免传统熔化焊中常见的裂纹、气孔和变形等问题，并且对操作和设备要求较低。虽然对搅拌摩擦焊技术的研究已越来越深入，但该技术仍存在不足之处。
搅拌摩擦焊主要通过搅拌头对工件的搅拌，依靠摩擦生热使工件接缝周围的金属被加热到塑性状态实现工件的连接，焊接过程需要通过搅拌头施加较大的压紧力和搅拌头向前运动的力。因此，在搅拌摩擦焊特殊的高温环境下，焊接熔点较高的金属材料时，搅拌头磨损较为严重，且设备一般比较笨重和复杂。另外，焊接熔点高、厚度大的材料时，焊接速度往往较低。焊接时，待焊工件需要刚性固定，对设备装夹要求较高，焊缝的背面需要加垫板进行刚性支撑。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，可以使焊接作用力减小，减轻搅拌头的磨损，极大的延长搅拌头的寿命；简化焊接设备和夹具安装要求，实现大厚度工件的搅拌摩擦焊接，提高焊接速率，减少焊接缺陷，提高焊接接头的强度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
1)将第一待焊工件1和第二待焊工件2装夹固定在焊接工作台上，第一待焊工件1和第二待焊工件2之间的接缝间隙为0～0.6mm，焊接工作台及工件夹具需要进行绝缘处理；
2)第一待焊工件1、第二待焊工件2、第一搅拌头3、第二搅拌头4通过第一搅拌头3、第二搅拌头4连接的碳刷7用导线8和直流开关电源5连接形成闭合电流回路，直流开关电源5上电，高速旋转的第一搅拌头3和第二搅拌头4分别扎入第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的两侧，轴肩b对接缝处施加顶锻压力，电流流过待焊工件内部产生电阻热，使第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝处的金属材料软化，直流开关电源5提供500～2000A的电流，电压为3～20V；
3)高速旋转的第一搅拌头3和第二搅拌头4使接缝处的金属组织在搅拌头的搅拌摩擦作用下达到塑化状态，第一搅拌头3和第二搅拌头4的转速为500～1500转/分钟；同时，第一搅拌头3和第二搅拌头4上连接的超声波激振器6打开，沿第一搅拌头3和第二搅拌头4轴线A-A方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化；然后，第一搅拌头3和第二搅拌头4沿着接缝的方向向前进给运动，进给速度为50～300mm/min，塑化的金属在第一搅拌头3和第二搅拌头4的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针a移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成最终焊缝1-2，从而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的搅拌摩擦焊接。
所述的第一搅拌头3和第二搅拌头4由搅拌针a、轴肩b、导电芯c、绝缘层d和夹持区e组成，搅拌针a、轴肩b、夹持区e采用工具钢制成，其中，搅拌针a为锥形的且锥面上有凹槽，使处于高塑性状态的金属保持上下运动的同时，沿着搅拌针a从前向后流动；轴肩b为平面型的，加热和软化被焊接材料、包拢金属并对焊缝施加顶锻压力，促使焊缝成形光滑平整；导电芯c由铜包钢或者铝复铁的耐高温高强度复合导电材料制成，镶嵌在搅拌头的内部，近搅拌针a的一端作为电阻热源的电极，另一端保持与碳刷7滑动接触，保证构成闭合电流回路；绝缘层d由陶瓷耐高温、耐磨绝缘材料制成；夹持区e或者搅拌头夹具需要进行绝缘处理。
本发明具有以下优点：
1.与传统搅拌摩擦焊接技术相比，本发明利用直流开关电源5提供电阻热源辅助搅拌摩擦焊接，接缝处接触面及邻近区域产生的电阻热使接缝处的金属材料软化，电阻热在搅拌摩擦焊接过程中可以细化焊核区的晶粒组织，提高焊接接头的质量和强度；电阻热使焊接作用力减小，减轻搅拌头的磨损，极大的延长了搅拌头的寿命；简化焊接设备和夹具安装要求，实现大厚度工件的搅拌摩擦焊接，提高焊接速率，减少焊接缺陷，提高焊接接头的强度。
2.采用碳刷7作为闭合电流回路的滑动接触件，使搅拌头直接作为电阻热源的电极，避免直接给待焊工件通电，简化待焊工件的装夹，提高搅拌摩擦焊接设备的灵活性，降低电阻辅助热源的能耗。
3.采用超声波激振器6沿第一搅拌头3和第二搅拌头4轴线A-A方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，焊缝处的金属内部组织产生高频振动，材料活性增强，降低搅拌摩擦焊接过程中金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化，尽可能减小以致避免焊缝处热机影响区和热影响区的形成，从而使所形成最终焊缝1-2的金属组织形态达到近似完全形成焊核的程度。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明方法的工作原理示意图。
图3是第一搅拌头3和第二搅拌头4的结构图，图(a)是主视图，图(b)是俯视图。
图4是焊接加工所得工件的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1、图2、图3和图4，一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
1)将第一待焊工件1和第二待焊工件2装夹固定在焊接工作台上，第一待焊工件1和第二待焊工件2之间的接缝间隙为0～0.6mm；焊接工作台及工件夹具需要进行绝缘处理，防止设备发生漏电危险；装夹之前，需要对第一待焊工件1和第二待焊工件2的接合面进行清洁处理，去除油污即可，不需要去除氧化膜；
2)第一待焊工件1、第二待焊工件2、第一搅拌头3、第二搅拌头4通过第一搅拌头3、第二搅拌头4连接的碳刷7用导线8和直流开关电源5连接形成闭合电流回路，直流开关电源5上电，高速旋转的第一搅拌头3和第二搅拌头4分别扎入第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的两侧，轴肩b对接缝处施加顶锻压力，电流流过待焊工件内部产生电阻热，使第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝处的金属材料软化；电阻热在搅拌摩擦焊接过程中可以细化焊核区的晶粒组织，提高焊接接头的质量和强度；直流开关电源5提供500～2000A的电流，电压为3～20V；
3)高速旋转的第一搅拌头3和第二搅拌头4使接缝处的金属组织在搅拌头的搅拌摩擦作用下达到塑化状态，第一搅拌头3和第二搅拌头4的转速为500～1500转/分钟；同时，第一搅拌头3和第二搅拌头4上连接的超声波激振器6打开，沿第一搅拌头3和第二搅拌头4轴线A-A方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，焊缝处的金属内部组织产生高频振动，材料活性增强，降低搅拌摩擦焊接过程中金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化；然后，第一搅拌头3和第二搅拌头4沿着接缝的方向向前进给运动，进给速度为50～300mm/min，塑化的金属在第一搅拌头3和第二搅拌头4的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针a移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成最终焊缝1-2，从而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的搅拌摩擦焊接。
参照图3，所述的第一搅拌头3和第二搅拌头4由搅拌针a、轴肩b、导电芯c、绝缘层d和夹持区e组成，搅拌针a、轴肩b、夹持区e采用工具钢制成，其中，搅拌针a为锥形的且锥面上有凹槽，使处于高塑性状态的金属保持上下运动的同时，沿着搅拌针a从前向后流动；轴肩b为平面型的，加热和软化被焊接材料、包拢金属并对焊缝施加顶锻压力，促使焊缝成形光滑平整；导电芯c由铜包钢或者铝复铁等耐高温、高强度复合导电材料制成，镶嵌在搅拌头的内部，近搅拌针a的一端作为电阻热源的电极，另一端保持与碳刷7滑动接触，保证构成闭合电流回路；绝缘层d由陶瓷等耐高温、耐磨绝缘材料制成；夹持区e或者搅拌头夹具需要进行绝缘处理。

Claims (2)

1.一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将第一待焊工件(1)和第二待焊工件(2)装夹固定在焊接工作台上，第一待焊工件(1)和第二待焊工件(2)之间的接缝间隙为0～0.6mm，焊接工作台及工件夹具需要进行绝缘处理；
2)第一待焊工件(1)、第二待焊工件(2)、第一搅拌头(3)、第二搅拌头(4)通过第一搅拌头(3)、第二搅拌头(4)连接的碳刷(7)用导线(8)和直流开关电源(5)连接形成闭合电流回路，直流开关电源(5)上电，高速旋转的第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)分别扎入第一待焊工件(1)和第二待焊工件(2)接缝的两侧，轴肩(b)对接缝处施加顶锻压力，电流流过待焊工件内部产生电阻热，使第一待焊工件(1)和第二待焊工件(2)接缝处的金属材料软化，直流开关电源(5)提供500～2000A的电流，电压为3～20V；
3)高速旋转的第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)使接缝处的金属组织在搅拌头的搅拌摩擦作用下达到塑化状态，第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)的转速为500～1500转/分钟；同时，第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)上连接的超声波激振器(6)打开，沿第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)轴线A-A方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化；然后，第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)沿着接缝的方向向前进给运动，进给速度为50～300mm/min，塑化的金属在第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针(a)移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成最终焊缝(1-2)，从而完成第一待焊工件(1)和第二待焊工件(2)接缝的搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述的第一搅拌头(3)和第二搅拌头(4)由搅拌针(a)、轴肩(b)、导电芯(c)、绝缘层(d)和夹持区(e)组成，搅拌针(a)、轴肩(b)、夹持区(e)采用工具钢制成，其中，搅拌针(a)为锥形的且锥面上有凹槽，使处于高塑性状态的金属保持上下运动的同时，沿着搅拌针(a)从前向后流动；轴肩(b)为平面型的，加热和软化被焊接材料、包拢金属并对焊缝施加顶锻压力，促使焊缝成形光滑平整；导电芯(c)由铜包钢或者铝复铁的耐高温高强度复合导电材料制成，镶嵌在搅拌头的内部，近搅拌针(a)的一端作为电阻热源的电极，另一端保持与碳刷(7)滑动接触，保证构成闭合电流回路；绝缘层(d)由陶瓷耐高温、耐磨绝缘材料制成；夹持区(e)或者搅拌头夹具需要进行绝缘处理。
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