CN107695511A - 一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法 - Google Patents

Abstract

一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法，属于焊接技术领域。技术要点为：本发明通过将超声装置与搅拌摩擦焊接装置共同作用于异质材料接头，将传统连接接头中连续脆性相打碎，实现了异质材料的有效连接。本发明可以解决异质材料接头由于材料物理化学性质差别大而造成的连接困难、内部缺陷及连续的脆性相的问题；同时还有效改善了异质材料接头搅拌摩擦焊接过程中材料流动性、焊接温度场，解决了异质材料搅拌摩擦接头中存在的钩状结构(HOOK)、异质材料层流、沟槽缺陷及连续的金属间化合物的问题。本发明具有焊后接头微观组织及力学性能优良、试用范围广、工艺操作简单等优点。

Description

一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法

技术领域

本发明涉及一种异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法，具体涉及一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

在航空、航天及汽车等领域，出于减轻重量、降低成本以及特殊使用性能等方面的考虑，铝合金、钛合金、陶瓷材料和复合材料等新材料以其高比强度、高断裂韧性等优点而被大量采用。在异种材料复合结构的设计当中，实现两者的连接是关键。采用机械方法连接异种材料难以满足结构密封性和使用性能的要求，在实际生产中广泛采用焊接方法来实现铝/钛的连接。然而，异种材料的物理、化学性质差异较大，导致其焊接性较差，常用的熔化焊、钎焊、熔钎焊等方法难以实现异种材料的优质高效连接，从而限制了铝异种材料复合结构的进一步应用，因此迫切需要开发新的连接技术，推动异种材料复合结构走向实用化，这对于其它异种难焊金属的连接问题也有着重要的参考价值。

搅拌摩擦焊是一种新型高效固相连接技术，其利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。搅拌摩擦焊焊接热输入较低，其焊接过程中的最高温度也不会超过带焊材料的熔点，其较小的焊接热输入很大程度上抑制了异种金属接头界面处金属间化合物的生成。因此，搅拌摩擦焊异种金属接头性能较其他传统熔焊方法有较大提升。超声焊，是一种快捷，干净，有效的装配工艺。然而，在异种材料搅拌摩擦焊接接头中，仍然存在连续脆性相、内部缺陷、钩状缺陷及塑性流动不足等问题。

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。超声波在焊接领域中也有着广泛的应用，其具有破碎氧化膜、打碎连续脆性相以及促进金属流动、改善材料塑性、细化焊缝晶粒等作用。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明的目的是提供一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法，解决现有的异质材料连接中连接困难、内部缺陷、连续的脆性相的问题，以及异种材料搅拌摩擦焊接头组织不均匀、机械性能不佳、异质材料层流及沟槽缺陷的问题。

方案一：本发明提供了一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，包括超声振动装置、搅拌摩擦焊具和可移动工作台；搭接上板与搭接下板构成待焊接工件，待焊接工件通过夹具固定于可移动工作台上，搅拌摩擦焊具置于待焊接工件搭接区域的上方，且搅拌摩擦焊具的搅拌针扎入搭接区域，所述超声振动装置的滚压头作用于搭接区域。

进一步地：所述超声振动装置的滚压头超声作用中心位置与搅拌摩擦焊具的搅拌针焊接中心位置在5mm～5000mm范围内可调。

进一步地：所述超声振动装置和搅拌摩擦焊具无直接刚性连接。

进一步地：所述超声振动装置的滚压头的超声作用位置位于搭接上板上表面、搭接上板下表面、搭接上板侧面、搭接下板上表面、搭接下板下表面或搭接下板侧面的一处或多处。

进一步地：所述超声振动装置的滚压头具有光滑表面或带有纹路、凸点、颗粒一种或多种的不平整表面。

方案二：本发明提供了一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接方法，其依托方案一所述搭接装置实现，具体为：

步骤一：将超声振动装置启动，并将超声施加于预定路线的起始位置；

步骤二：启动搅拌摩擦焊具，并于预计焊接路线的起始位置扎入搅拌针；

步骤三：扎入完成后，工作台沿既定轨迹运行，实现连续焊接；

步骤四：既定轨迹运行完毕后，搅拌针与焊接结束位置脱离焊缝；

步骤五：搅拌针脱离焊缝后，关闭超声振动装置。

有益效果：

本发明针对异质材料连接中连接困难、内部缺陷、连续的脆性相铝钛或异种材料搅拌摩擦焊接头组织不均匀、机械性能不佳、钩状结构(HOOK)、异质材料层流及沟槽缺陷的问题，设计了一种超声辅助异质材料搅拌摩擦装置并提供了相关工艺。通过超声振动改善接头组织形貌和力学性能。同传统的异种材料搅拌摩擦焊相比，本发明具有如下优势：

1、在超声振动的作用下，异种材料搅拌摩擦接头中连续的脆性相被打碎，界面组织得到改善；

2、在超声振动的作用下，异种材料搅拌摩擦接头中钩状结构(HOOK)被减小、破碎、甚至消除，接头组织得到改善；

3、在超声振动的作用下，超声辅助异种材料搅拌摩擦焊接过程中，材料流动行得到改善，接头组织得以细化，沟槽缺陷得以消除。

4、本发明具有焊后接头微观组织及力学性能优良、试用范围广、工艺操作简单的优点。

附图说明

图1是实施例1所述的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置的示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如图1所示，本实施例的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，包括超声振动装置1、搅拌摩擦焊具2和可移动工作台3；搭接上板4与搭接下板5构成待焊接工件，待焊接工件通过夹具固定于可移动工作台3上，搅拌摩擦焊具2置于待焊接工件搭接区域的上方，且搅拌摩擦焊具2的搅拌针扎入搭接区域，所述超声振动装置1的滚压头作用于搭接区域；所述超声振动装置1的滚压头超声作用中心位置与搅拌摩擦焊具的搅拌针焊接中心位置间距为1000mm；所述超声振动装置1和搅拌摩擦焊具无直接刚性连接；所述超声振动装置1的滚压头的超声作用位置位于搭接上板上表面；进一步地：所述超声振动装置1的滚压头为带有纹路的不平整表面；搭接上板选用铝合金，搭接下板选用钛合金，搭接宽度不少于10mm；超声振动施加于铝合金上表面，铝合金上板厚度0.1mm～10mm。

实施例2：本实施例依托实施例1所述的搭接装置实现，本实施例是通过以下步骤实现的：

步骤一：将超声振动装置启动，并将超声施加于预定路线的起始位置；

步骤二：启动搅拌摩擦焊具，并于预计焊接路线的起始位置扎入搅拌针；

步骤三：扎入完成后，工作台沿既定轨迹运行，实现连续焊接；

步骤四：既定轨迹运行完毕后，搅拌针与焊接结束位置脱离焊缝；

步骤五：搅拌针脱离焊缝后，关闭超声振动装置。

其中，超声振动频率为10kHz～300kHz。

其中，搅拌头转速为300rpm～4500rpm。

其中，工作台进给速度为10mm/min～200mm/min。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，其特征在于，包括超声振动装置(1)、搅拌摩擦焊具(2)和可移动工作台(3)；搭接上板(4)与搭接下板(5)构成待焊接工件，待焊接工件通过夹具固定于可移动工作台(3)上，搅拌摩擦焊具(2)置于待焊接工件搭接区域的上方，且搅拌摩擦焊具(2)的搅拌针扎入搭接区域，所述超声振动装置(1)的滚压头作用于搭接区域。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，其特征在于，所述超声振动装置(1)的滚压头超声作用中心位置与搅拌摩擦焊具的搅拌针焊接中心位置在5mm～5000mm范围内可调。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，其特征在于，所述超声振动装置(1)和搅拌摩擦焊具(2)无直接刚性连接。

4.根据权利要求1所述的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，其特征在于，所述超声振动装置(1)的滚压头的超声作用位置位于搭接上板上表面、搭接上板下表面、搭接上板侧面、搭接下板上表面、搭接下板下表面或搭接下板侧面的一处或多处。

5.根据权利要求1所述的一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置，其特征在于，所述超声振动装置(1)的滚压头具有光滑表面或带有纹路、凸点、颗粒一种或多种的不平整表面。

6.基于权利要求1-5任意一项所述的搭接装置实现一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：将超声振动装置启动，并将超声施加于预定路线的起始位置；

步骤二：启动搅拌摩擦焊具，并于预计焊接路线的起始位置扎入搅拌针；

步骤三：扎入完成后，工作台沿既定轨迹运行，实现连续焊接；

步骤四：既定轨迹运行完毕后，搅拌针与焊接结束位置脱离焊缝；

步骤五：搅拌针脱离焊缝后，关闭超声振动装置。