CN108890117B - 一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置，在搅拌摩擦焊焊接过程中，采用双重外场辅助焊接的方法，在工件的搅拌摩擦焊接区同时通入脉冲电流和施加高强电场，在脉冲电流场和高强电场的耦合作用下，改善材料焊接区的微观组织，提高接头处力学性能。焊接装置由外轴套肩、搅拌头、搅拌针、待焊接工件、导电块、云母片、电极板、工作台、脉冲电源、高压直流电源和导线组成。本方法和设备具有如下的显著效果：1)简单有效地实现了脉冲电流场和电场共同辅助搅拌摩擦焊接过程，双重外场的耦合作用大幅度地改善了焊接接头的力学性能；2)可实现电流加热，电场辅助的焊接后的热处理工作；3)提高了搅拌头的使用寿命和焊接效率。

Description

一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置
技术领域
本发明属于焊接技术技术领域，特别涉及一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接所研发的一种新型的固相连接技术。其原理是通过一个带有特殊轴肩的搅拌头以一定的转速旋转插入被焊接件的待焊接处，由于搅拌头与焊接件摩擦产热，使得搅拌头周边区域材料温度上升，达到热塑状态，在旋转的同时，搅拌头以一定的速度向前移动，此时热塑化的材料会在搅拌头的作用下沿着搅拌头旋转方向进行移动，材料在轴肩压力的作用下形成可靠的固相连接。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁合金等低熔点、高性能的金属材料焊接中，避免了传统焊接技术在焊接此类材料时产生的气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，减小了焊接变形，节省了焊接材料。近年来搅拌摩擦焊技术被普遍应用于航空航天、汽车产业、轨道交通等领域。
电流辅助搅拌摩擦焊是指利用电流的焦耳热效应和所谓的电塑性来辅助软化待焊接材料，提高搅拌摩擦焊过程中材料的塑性流动性。Luo等人采用电流辅助搅拌摩擦焊方法，焊接了AZ31B镁合金、7075铝合金的对接接头，发现电阻热细化了镁合金焊接区晶粒组织，提高了其显微硬度，增强了塑性变形；而对铝合金，焊接区和热影响区的晶粒尺寸随着电流密度的增大而轻微增加。Liu等人研究了电塑性对6061铝合金和TRIP780钢异种金属连接时的影响，发现辅助电流能够显著减小焊接轴向力，并且当搅拌头转速较低或者搅拌头向铝侧偏移量较小时，这一现象更加明显；微观结构观察显示，在铝/铁界面上金属间化合物薄层的形成和微观上的互锁特点被增强，因而提高了接头质量。
电场作为另一种能量场形式，因其独特的作用形式和影响机制，引起材料结构组织和性能的改变，目前国内外许多研究者从不同的角度和方向展开了研究工作。Liu Wei等人开展了电场热处理对2091Al-Li合金组织和性能的影响研究。结果表明：2091Al-Li合金采用电场热处理工艺时可以获得更细小的晶粒尺寸，认为是外加电场加速了再结晶晶粒的形核，促进再结晶进程；电场效应还促进2092Al-Li合金固溶处理时含Cu的第二相粒子的扩散与溶解，提高其固溶程度，加剧Li原子在晶界上的非平衡偏聚，导致析出相δ′分布不均匀，体积分数减少，晶界上出现粗大的δ平衡相。
电流辅助搅拌摩擦焊虽然能够作为辅助热源能够促进材料软化，但是也会导致工件材料经历双重的热循环，如果热源参数不当，会导致焊缝热影响区扩大，焊缝金属的强化相长大或溶解，从而降低了接头的力学性能。
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双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置，利用电场和电流场耦合作用辅助搅拌摩擦焊工艺，通过双重外场的调控，可改善焊缝区的微观组织结构，从而提高接头的力学性能，通过选择电场和电流场的最佳参数，效果更好。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法，在搅拌摩擦焊焊接过程中，采用双重外场辅助焊接的方法，在工件的搅拌摩擦焊接区同时通入脉冲电流并施加高强电场，在脉冲电流场和高强电场的耦合作用下，改善材料焊接区的微观组织，提高接头处力学性能。
所述脉冲电流的参数如下：电流大小0～5000A可调，频率100～1000HZ可调，占空比10～99％可调；所述高强电场由高压直流电源产生，高压直流电源的参数为0～10KV可调。
本发明还提供了一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，在搅拌摩擦焊的待焊接工件4焊缝处的前后两端分别安装有导电块5，从脉冲电源9引出的正负极导线分别连接两个导电块5，使得待焊接工件4通入脉冲电流；在工作台8和待焊接工件4之间放置有若干电极板7，电极板7与高压直流电源10的正极连接，高压直流电源10的负极与待焊接工件4连接，使得待焊接工件4形成高强电场。
所述导电块5的尺寸满足：长度和搅拌头2的直径一致，高度和待焊接工件4的高度一致。
所述导电块5为纯铜材料加工而成。
所述电极板7和待焊接工件4之间使用云母片6隔开，且云母片6的尺寸略大于待焊接工件4的尺寸。
所述电极板7为三块，分别安装在待焊接工件4的左端、焊缝处和右端，且只有焊缝处的电极板7与高压直流电源10的正极连接.
所述焊缝处的电极板7的尺寸满足：长度和焊缝的长度一致，宽度和搅拌头2的直径一致。
所述电极板7为不锈钢材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一、本发明简单有效地将电场和电流场引入搅拌摩擦焊过程中，实现了电场和电流场的两种能量场的共同辅助搅拌摩擦焊接，通过调节电场和电流场的最佳耦合参数，达到对焊缝区微观组织结构的最佳调控，从而大幅度的改善了接头处的力学性能。
其二、本发明能够实现对焊后接头处的热处理，由于搅拌过程中产生的高温，会使得一些第二相粒子发生了溶解，降低了强度；通过脉冲电流产生的焦耳热提供时效温度，电场辅助时效过程，对焊后的工件进行选区时效热处理，让焊缝区溶解的析出相重新析出，进而提高接头处的力学性能。
其三、本发明电场的施加，可以影响焊缝区电荷的分布，在微观内部形成微型电场，促进空位、溶质原子的运动，对焊后热处理具有重要作用。
附图说明
附图1是本发明一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置的示意图。
图中，1-外轴套肩，2-搅拌头，3-搅拌针，4-待焊接工件，5-导电块，6-云母片，7-电极板，8-工作台，9-脉冲电源，10-高压直流电源，11-导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法，在搅拌摩擦焊焊接过程中，采用双重外场辅助焊接的方法，在工件的搅拌摩擦焊接区同时通入脉冲电流并施加高强电场，在脉冲电流场和高强电场的耦合作用下，改善材料焊接区的微观组织，提高接头处力学性能。
其中，高强电场由高压直流电源产生，高压直流电源的参数为0～10KV可调。脉冲电流的参数如下：电流大小0～5000A可调，频率100～1000HZ可调，占空比10～99％可调。
本发明还提供了一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，如图1所示，搅拌摩擦焊的待焊接工件4位于工作台8上，且二者之间布置有云母片6和三块由不锈钢材料制成的电极板7，云母片6位于电极板7上方，尺寸略大于待焊接工件4的尺寸，隔开电极板7和待焊接工件4，电极板7为三块，分别安装在待焊接工件4的左端、焊缝处和右端。焊缝处的电极板7的尺寸满足：长度和焊缝的长度一致，宽度和搅拌头2的直径一致。
连接搅拌头2的搅拌针3位于待焊接工件4的焊缝上方，搅拌头2连接电机，并由外轴套肩1保护，焊接时，搅拌头2带动搅拌针3搅拌。
在待焊接工件4焊缝处的前后两端分别安装有纯铜材料加工而成的导电块5，导电块5的尺寸满足：长度和搅拌头2的直径一致，高度和待焊接工件4的高度一致，从脉冲电源9引出的正负极导线11分别连接两个导电块5，使得待焊接工件4通入脉冲电流，使得外加脉冲电流流经的路线是脉冲电源正极→导线→第一个导电块→待焊接工件焊缝处→第二个导电块→导线→脉冲电源负极。
待焊接工件4焊缝处的极板7与高压直流电源10的正极连接，高压直流电源10的负极与待焊接工件4连接，使得待焊接工件4形成高强电场。
本发明的焊接过程：
焊接两块厚为8.7mm的铝合金(实施例采用2219和2195合金)对接接头，搅拌头为钨合金钢，轴肩直径为16mm，搅拌针长度为8.6mm。采用本发明提供的一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法及装置，首先按照装置的示意图所示，将三块不锈钢板等间距放在工作台上，然后在其上面放置云母片，然后将两块待焊接的工件对齐放置在云母片上，使得焊缝位于中间一块不锈钢电极板的平分线位置，固定两块待焊接工件；连接好脉冲电源的导线和导电块，将导电块固定在工件焊缝的前后两端；将高压直流电流源的正负极导线分别与电极板和工件连接好；安装好后，采用搅拌头的旋转速度为900r/min,焊接速度为60mm/min,脉冲电流选定参数为：电流1000A，频率100HZ,占空比30％；其中电场强度为0.58KV/mm,能够得到成型良好的焊接接头。
由表1和表2可知，本发明提供的方法焊接的样品强度相对普通焊接提高30-50MPa，而延伸率保持不变。
表1，2219合金焊接效果对比
Figure BDA0001773549910000051
表2，2195合金焊接效果对比
Figure BDA0001773549910000061

Claims (9)

1.一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法，其特征在于，在搅拌摩擦焊焊接过程中，采用双重外场辅助焊接的方法，在工件的搅拌摩擦焊接区同时通入脉冲电流并施加高强电场，在脉冲电流场和高强电场的耦合作用下，改善材料焊接区的微观组织，提高接头处力学性能。
2.根据权利要求1所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的方法，其特征在于，所述脉冲电流的参数如下：电流大小0～5000A可调，频率100～1000HZ可调，占空比10～99％可调；所述高强电场由高压直流电源产生，高压直流电源的参数为0～10KV可调。
3.一种双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，在搅拌摩擦焊的待焊接工件(4)焊缝处的前后两端分别安装有导电块(5)，从脉冲电源(9)引出的正负极导线分别连接两个导电块(5)，使得待焊接工件(4)通入脉冲电流；在工作台(8)和待焊接工件(4)之间放置有若干电极板(7)，电极板(7)与高压直流电源(10)的正极连接，高压直流电源(10)的负极与待焊接工件(4)连接，使得待焊接工件(4)形成高强电场。
4.根据权利要求3所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述导电块(5)的尺寸满足：长度和搅拌头(2)的直径一致，高度和待焊接工件(4)的高度一致。
5.根据权利要求3所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述导电块(5)为纯铜材料加工而成。
6.根据权利要求3所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述电极板(7)和待焊接工件(4)之间使用云母片(6)隔开，且云母片(6)的尺寸略大于待焊接工件(4)的尺寸。
7.根据权利要求3所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述电极板(7)为三块，分别安装在待焊接工件(4)的左端、焊缝处和右端，且只有焊缝处的电极板(7)与高压直流电源(10)的正极连接。
8.根据权利要求7所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述焊缝处的电极板(7)的尺寸满足：长度和焊缝的长度一致，宽度和搅拌头(2)的直径一致。
9.根据权利要求3所述双重外场改善搅拌摩擦焊接头力学性能的装置，其特征在于，所述电极板(7)为不锈钢材料制成。
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