CN108838510B - 一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法 - Google Patents

一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。装置包括搅拌头和与所述搅拌头连接的电机，所述搅拌头由轴肩和与所述轴肩同轴一体设置的底部两级搅拌针组成，所述两级搅拌针的一级搅拌针和二级搅拌针为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针位于所述二级搅拌针上方，且所述一级搅拌针下底面直径大于所述二级搅拌针上底面直径。方法包括：测量待焊工件和搅拌头的几何参数；固定被焊工件；确定施焊位置；确定下压深度；搅拌摩擦焊接。采用本发明，可获得具有“HOOK”呈水平甚至略微向下弯曲特征的搭接接头，并可显著增加接头的有效承载厚度。此外，本发明操作简单，易于实现，适用于各种厚度的搭接结构的搅拌摩擦焊接。

Description

一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，简称FSW)技术作为一种固相连接技术，可以避免熔化焊中出现的气孔、夹渣等冶金缺陷。但是当搅拌摩擦焊接技术应用于搭接结构的焊接时，上下板的原始界面在搅拌头的作用下会发生迁移，其中搅拌针作用范围内的原始界面将会被破坏，而搅拌针边缘处的部分界面会在垂直方向上发生弯曲，形成搅拌摩擦焊接搭接接头中特有的向上弯曲的钩状缺陷又称“HOOK”缺陷，这将造成板材“有效厚度”的降低、从而导致接头承载能力明显降低(航空制造技术Vol.10(2017)p91-98；J MaterProcess Technol,Vol.238(2016)p244-254)。
研究表明，通过焊接工艺的变化，能够改变接头中“HOOK”的尺寸以及形状(JMater Process Technol,Vol 210(2010)p206)，但是工艺参数对“HOOK”变化的影响，还与母材种类，板厚等因素密切相关，因此几者之间关系复杂，所以通过工艺参数实现对“HOOK”调控十分困难(Sci Technol Weld Join,15(2010)p81)。而搅拌工具是影响材料的流动关键因素，例如采用特殊的Skew-stir搅拌工具、Flared-Triflute搅拌工具(航空制造技术Vol.10(2017)p91-98)，以及ZL201410705553.7公开的搅拌针中间粗、两头细的异形搅拌工具进行搭接焊接，都会在不同程度上改变“HOOK”的形状与大小，从而获得较高载荷的接头，但是上述工具均未能改变“HOOK”向上弯曲的特征，因此对接头性能的提高程度有限。换言之，向上弯曲的“HOOK”已经成为搅拌摩擦搭接焊接技术亟待解决的关键问题之一。
鉴于搅拌工具在改变搭接界面流动行为方面的重要作用，因此设计并制备出适合搅拌摩擦搭接焊接的搅拌工具，改变“HOOK”向上弯曲的特性，对于提高搭接结构接头的质量，具有重要的意义。
发明内容
为解决现有技术在搅拌摩擦搭接焊接中存在的向上弯曲的“HOOK”，严重影响接头性能和质量的问题，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置，包括搅拌头和与所述搅拌头连接的电机，所述搅拌头由轴肩和与所述轴肩同轴一体设置的底部两级搅拌针组成，所述两级搅拌针的一级搅拌针和二级搅拌针为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针位于所述二级搅拌针上方，且所述一级搅拌针下底面直径大于所述二级搅拌针上底面直径。
进一步地，所述一级搅拌针下底面是凹面、平面或者凸面。
第二个方面，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、测量待焊工件和搅拌头的几何参数，这些几何参数包括：待焊工件一的板材厚度H1；待焊工件二的板材厚度H2；轴肩直径D1；一级搅拌针上底面直径D2及下底面直径D3；二级搅拌针上底面直径D4及下底面直径D5；待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合行成的搭接贴合面的横向宽度L1；轴肩下压至施焊状态时，从轴肩面到搭接贴合面的距离L2，并且L2为H1与预设的轴肩下压量之差；一级搅拌针长度L3；搅拌针总长度L4；其中D1＞D2≥D3＞D4≥D5；L1≥D1；L3＜L2且0.05mm≤(L2-L3)≤1mm；H1＜L4≤5/6(H1+H2)；
步骤二、将待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合行成搭接贴合面；
步骤三、将搅拌头移至待焊工件一上方，使两级搅拌针正对待焊工件一和待焊工件二的搭接贴合面，并保证轴肩直径D1在搭接贴合面L1的范围之内；
步骤四、将一级搅拌针压入待焊工件一至其下底面距离搭接贴合面上0.05～1mm处，并且保证轴肩面B压入待焊工件一的深度为0.1～0.3mm；
步骤五、控制搅拌头转速为800～3000rpm/min，并且转速与行进速度的比值为2～15，沿待焊工件一与待焊工件二的搭接贴合面行走，直至焊接完成。
本发明的有益效果为：本发明可以很好适用较宽的焊接参数范围，来改变搅拌摩擦焊接搭接接头中的界面迁移行为，从而有效避免了搭接接头中“HOOK”的向上弯曲对接头性能的不利影响，获得了具有“HOOK”呈水平甚至略微向下弯曲特征的搭接接头，显著增加了接头的有效承载厚度，因此其接头质量优于传统搅拌工具进行焊接时获得的搭接接头。此外，本发明操作简单，易于实现，适用于各种厚度的搭接结构的搅拌摩擦焊接。
附图说明
图1是本发明焊接装置中搅拌头的结构示意图。
图2是利用本发明的搅拌头进行搅拌摩擦焊接工艺的示意图。
图3是本发明实施例1获得的铝合金搭接接头的金相图。
图4是本发明实施例2获得的铝合金搭接接头的金相图。
图5是对比例1获得的铝合金搭接接头的金相图。
图6是对比例2获得的铝合金搭接接头的金相图。
图1和2中：1-待焊工件一，2-待焊工件二，3-两级搅拌针，4-一级搅拌针，5-二级搅拌针，6-轴肩；A-搭接贴合面，B-轴肩端面，C-一级搅拌针端面；H1-待焊工件一的板材厚度，H2-待焊工件二的板材厚度，L1-搭接贴合面(A)的横向宽度，L2-轴肩下压至施焊状态时从轴肩面B到搭接贴合面A的距离，L3从轴肩端面B至一级轴肩端面C的距离，L4搅拌针总长度；D1轴肩直径，D2一级搅拌针底部直径，D3一级搅拌针端部直径，D4二级搅拌底部直径，D5二级搅拌针端部直径。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1和2所示，本发明具体实施例提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置，包括搅拌头和与所述搅拌头连接的旋转电机，所述搅拌头由轴肩6和与所述轴肩6同轴一体设置的底部两级搅拌针3组成，所述两级搅拌针3的一级搅拌针4和二级搅拌针5为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针4位于所述二级搅拌针5上方，且所述一级搅拌针4下底面直径大于所述二级搅拌针5上底面直径。此外，所述一级搅拌针4下底面是凹面、平面或者凸面。所述旋转电机用于控制所述搅拌头的转速。
此外，搅拌头还可以和步进电机连接来控制焊接过程的行进速度；或者，将待焊工件固定在工作台的滑轨上，通过步进电机控制滑轨的移动速度进而控制焊接过程的行进速度。
本发明具体实施例还提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一、测量待焊工件和搅拌头的几何参数，这些几何参数包括：待焊工件一的板材厚度H1；待焊工件二的板材厚度H2；轴肩直径D1；一级搅拌针上底面直径D2及下底面直径D3；二级搅拌针上底面直径D4及下底面直径D5；待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合行成的搭接贴合面的横向宽度L1；轴肩下压至施焊状态时，从轴肩面到搭接贴合面的距离L2，并且L2为H1与预设的轴肩下压量之差；一级搅拌针长度L3；搅拌针总长度L4；其中D1＞D2≥D3＞D4≥D5；L1≥D1；L3＜L2且0.05mm≤(L2-L3)≤1mm；H1＜L4≤5/6(H1+H2)；
步骤二、将待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合行成搭接贴合面；
步骤三、将搅拌头移至待焊工件一上方，使两级搅拌针正对待焊工件一和待焊工件二的搭接贴合面，并保证轴肩直径D1在搭接贴合面L1的范围之内；
步骤四、将一级搅拌针压入待焊工件一至其下底面距离搭接贴合面上0.05～1mm处，并且保证轴肩面B压入待焊工件一的深度为0.1～0.3mm；
步骤五、控制搅拌头转速为800～3000rpm/min，并且转速与行进速度的比值为2～15，沿待焊工件一与待焊工件二的搭接贴合面行走，直至焊接完成。
实施例1
将H1＝4mm的铝合金平板待焊板材一和H2＝4mm的铝合金平板待焊板材二，进行搭接结构装配，构成搭接贴合面A，搭接贴合面长度L1选为15mm，然后采用上述焊接装置与焊接方法进行搅拌摩擦焊接：搅拌针总长L4＝5.4mm，一级搅拌针长度L3＝3.65mm，下压量＝0.2mm，一级搅拌针上底面直径D2＝8mm，下底面直径D3＝8mm，二级搅拌针上底面直径D4＝4mm，下底面直径D5＝4mm，一级搅拌针端面的形状为凸面，轴肩直径D1＝18mm，搅拌头转速为1400r/min，焊接速度为600mm/min。焊接完成的铝合金板材的微观组织分析如图3所示，结果表明接头中“HOOK”比较平直，无向上弯曲的趋势，增加了有效板厚，因此接头的质量得到显著提高。
实施例2
将H1＝4mm的铝合金平板待焊板材一和H2＝4mm的铝合金平板待焊板材二，进行搭接结构装配，构成搭接贴合面A，搭接贴合面长度L1选为15mm，然后采用上述焊接装置与焊接方法进行搅拌摩擦焊接：搅拌针总长L4＝5.4mm，一级搅拌针长度L3＝3.65mm，下压量＝0.2mm，一级搅拌针上底面直径D2＝6mm，下底面直径D3＝6mm，二级搅拌针上底面直径D4＝4mm，下底面直径D5＝4mm，一级搅拌针端面形状为凹面，轴肩直径D1＝18mm，搅拌头转速为2000r/min，焊接速度为200mm/min。焊接完成的铝合金板材的微观组织分析如图4所示，结果表明接头中“HOOK”比较平直，无向上弯曲的趋势，增加了接头有效板厚，因此接头的质量得到显著提高。
对比例1
将H1＝4mm的铝合金平板待焊板材一和H2＝4mm的铝合金平板待焊板材二，进行搭接结构装配，构成搭接贴合面A，搭接贴合面长度L1选为15mm，然后采用常规的搅拌头，与实施例1采用相同的工艺参数，进行搅拌摩擦焊接：轴肩直径为18mm，锥形针，针长5.4mm，上底面直径8mm，下底面直径4mm，搅拌针长L4＝5.4mm，搅拌头转速为1400r/min，焊接速度为600mm/min。焊接完成的铝合金板材的微观组织分析如图5所示，结果表明接头中HOOK呈现明显的向上弯曲的趋势，降低了接头的有效板厚，危害接头质量。
对比例2
将H1＝4mm的铝合金平板待焊板材一和H2＝4mm的铝合金平板待焊板材二，进行搭接结构装配，构成搭接贴合面A，搭接贴合面长度L1选为15mm，然后采用常规的搅拌头，与实施例2采用相同的工艺参数，进行搅拌摩擦焊接：轴肩直径为18mm，锥形针，针长5.4mm，上底面直径8mm，下底面直径4mm，搅拌针长L4＝5.4mm，搅拌头转速为2000r/min，焊接速度为200mm/min。焊接完成的铝合金板材的微观组织分析如图6所示，结果表明接头中HOOK呈现更加明显的向上弯曲的趋势，降低了接头的有效板厚，危害接头质量。
本发明通过采用两级搅拌针的方式，针对搭接结构进行搅拌摩擦焊接，改变了材料的流动行为，使其能在较宽的参数范围内，实现搭接接头中“HOOK”以平直、甚至向下略微弯曲，避免了“HOOK”向上弯曲，对搭接接头质量产生不利影响。此外，本发明操作工艺简单，易于实现，适用于各种厚度的搭接结构的搅拌摩擦焊接，接头的质量显著提高。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接方法，其特征在于，包括如下焊接装置，所述焊接装置包括搅拌头和与所述搅拌头连接的电机，所述搅拌头由轴肩和与所述轴肩同轴一体设置的底部两级搅拌针组成，所述两级搅拌针的一级搅拌针和二级搅拌针为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针位于所述二级搅拌针上方；采用该焊接装置的具体操作步骤为：
步骤一、测量待焊工件和搅拌头的几何参数，这些几何参数包括：待焊工件一的板材厚度H1；待焊工件二的板材厚度H2；轴肩直径D1；一级搅拌针上底面直径D2及下底面直径D3；二级搅拌针上底面直径D4及下底面直径D5；待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合形成的搭接贴合面的横向宽度L1；轴肩下压至施焊状态时，从轴肩面到搭接贴合面的距离L2，并且L2为H1与预设的轴肩下压量之差；一级搅拌针长度L3；搅拌针总长度L4；其中D1＞D2≥D3＞D4≥D5；L1≥D1；L3＜L2且0.05mm≤(L2-L3)≤1mm；H1＜L4≤5/6(H1+H2)；
步骤二、将待焊工件一底面和待焊工件二顶面部分紧密贴合形成搭接贴合面；
步骤三、将搅拌头移至待焊工件一上方，使两级搅拌针正对待焊工件一和待焊工件二的搭接贴合面，并保证轴肩直径D1在搭接贴合面L1的范围之内；
步骤四、将一级搅拌针压入待焊工件一至其下底面距离搭接贴合面上0.05～1mm处，并且保证轴肩面压入待焊工件一的深度为0.1～0.3mm；
步骤五、控制搅拌头转速为800～3000rpm/min，并且转速与行进速度的比值为2～15，沿待焊工件一与待焊工件二的搭接贴合面行走，直至焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接方法，其特征在于，所述一级搅拌针下底面是凹面、平面或者凸面。
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