CN108890119A - 可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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陈树君
张洪玮
蒋晓青
余旭
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    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
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Abstract

本发明公开一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接装置，采用搅拌头作为电流辅助热源的电极，通过外置电源开关的闭合，高密度电流通过搅拌针流经待焊母材，通过底部导流板流回电源，实现了电阻热与搅拌摩擦机械热形成搅拌摩擦焊的复合热源。焊接过程中通过导流板将按工艺要求调控电流分布情况和流经方向，改变焊缝前进侧与后退侧温度差，完成焊前预热或焊后热处理要求，改善焊缝力学性能。本技术方案，增强焊接过程中材料的流塑性，调整焊接过程中焊缝前进侧与后退侧的温场分布，细化晶粒，提升工件表面硬度，减少了搅拌针在焊接过程中的磨损，提高了焊接质量与工作效率。

Description

可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，可以应用在航空、航天、军工、医疗、汽车、海洋工程等工业领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)是基于摩擦焊技术的原理，由英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术。搅拌头高速旋转插入焊件，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌头对焊缝金属的挤压使焊缝金属在摩擦热和机械力联合作用下发生软化，随着搅拌针的转动发生塑性流动，实现材料的固相焊接。FSW具有焊接性能好、残余应力低、工件变形小、无污染等优点。当焊接工件为高熔点材料时，常规搅拌摩擦焊需要很大的轴向压力和搅拌头转矩来产生足够的摩擦热和塑性功来软化材料形成焊缝，较大的工艺参数容易导致搅拌头磨损，并限制焊接速度的提高。同时也存在飞边、未焊透和孔洞缺陷等缺点。
为了改善高熔点、低热导率金属经搅拌摩擦焊接后的焊缝成形和接头性能，载流式搅拌摩擦焊接成为一种优化焊接方法。较高熔点金属材料的热加工温度区间较窄，造成在焊接过程中垂直焊缝方向上存在较大的温度梯度，接头受热不均，同时引起焊缝前进侧和后退侧温度不同，造成焊缝成形不均，因而其性能下降。在中厚度金属板的搅拌摩擦焊接过程中，为了提供足够热输入，则需要使用较大的焊接规范才能获得成形良好的焊缝。载流式搅拌摩擦焊接可以提供额外的热量来源。在焊接过程中，将电流流通待焊板材，流经板材会产生电阻热，与原有的机械搅拌热源形成复合热源。在复合热源的焊接过程中，电流密度和流向导致热量分布不均匀，前进侧和后退侧的温度不同，导致焊缝性能较差。
发明内容
本发明的目的在搅拌摩擦焊接过程中，提供一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，按不同工艺要求调整电流分布情况和流通方式，改变焊缝前进侧与后退侧温度差，完成焊前预热或焊后热处理要求，改善接头断裂位置。同时延长了搅拌针在电阻热的作用下的使用寿命，以较小的焊接工艺，使晶粒细化，提升了工件硬度，有效提高了焊接质量和工作效率。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，焊接开始前，搅拌针(1)高速旋转扎入待焊工件1(4)和待焊工件2(6)，搅拌针(1)与待焊工件接触，待达到工艺要求的下压量时，完成下扎过程，闭合电源开关，外接焊接电源(8)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(1)，之后通过待焊工件1(4)和待焊工件2(6)流向导流板(3)，导流板(3)平均分布有四个电源导通端口，分别为预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通端口，通过铜制螺栓(7)固定导流板(3)和电线，最后电流流经导流板(3)回到电源(8)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，使焊接过程在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。
作为优选，所述导流板(3)可调控焊缝前进侧和后退侧电流分布，改变前进侧和后退侧的温度分布。导流板(3)接线端有四个端口：预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)四类端口。按不同工艺要求，通过连接不同端口，使得电流高密度集中于工艺所需的前进侧或后退侧，形成不同的温度场分布。
作为优选，可调控电流分布装置由导流板(3)构成：导流板(3)为铜质材质，可以高效集中电流密度。
作为优选，搅拌针(1)上端夹持端涂有绝缘漆料(13)，导流板(3)下端固定在绝缘底板上，使设备不受外界电源的影响，保护了控制系统不受外电流的影响。
作为优选，焊接过程中，绝缘底板(5)需要承受较大压力，同时需要耐高温且绝缘，选用氧化铝陶瓷材质。
作为优选，导流板(3)选用导电性能好的紫铜材质。
与现有焊接技术相比，本发明方法的优点如下：
(1)载流搅拌摩擦焊接，使焊核区晶粒细化，缩短焊接时间，减少搅拌针磨损。
(2)按所需焊接工艺要求，通过改变导流板的连接方式，改变焊接过程中前进侧与后退侧的电流密度，导致前进侧与后退侧温差发生改变，提升焊缝表面硬度，改变焊缝断裂位置，提升焊缝质量。
(3)电流复合热源的引入，产生的电阻热与机械摩擦热共同作用，提高热输入，提高材料流塑性，提高焊缝质量。
附图说明
图1为本发明可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法的结构示意图；
图2为本发明可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法的俯视图。
图中：搅拌针(1)、导电滑环(2)、导流板(3)、待焊工件1(4)、绝缘底板(5)、待焊工件2(6)、铜制螺栓(7)、电源(8)、预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)、焊后热处理后退侧端口(12)。
具体实施方式
一、以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。
参照图1和图2，一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：
将待焊工件1(4)和待焊工件2(6)装夹固定在绝缘底板(5)上，在焊接初始阶段，搅拌针(1)高速旋转扎入待焊工件1(4)和待焊工件2(6)，搅拌针(1)与待焊工件接触，待达到工艺要求的下压量时，完成下扎过程，闭合电源开关，外接焊接电源(8)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(1)，之后通过待焊工件1(4)和待焊工件2(6)流向导流板(3)，导流板(3)平均分布有四个电源导通端口，分别为预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通端口，通过铜制螺栓(7)固定导流板(3)和电线，最后电流流经导流板(3)回到电源(8)形成闭合回路。本方法中，外接电流采用直流或脉冲电流，电流的调节范围在0A～1KA之间。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，使焊接过程在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。
作为优选，所述导流板(3)可调控焊缝前进侧和后退侧电流分布，改变前进侧和后退侧的温度分布。导流板(3)连线端分别为预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)四类端口。当电流导通导流板(3)的预热前进侧端口时(9)，电流对焊接工件形成焊前预热效应，电流密度集中在焊接工件的前进侧，原热量分布变为新的复合温厂，热输入分布发生改变，硬度值不同；同理，当电流导通导流板(3)的预热后退侧端口时(10)，电流密度集中在焊接工件的后退侧。当电流导通导流板(3)的焊后热处理前进侧端口(11)时，电流密度集中在焊接工件的前进侧，对焊后焊缝进行热处理工艺，改变原温厂分布；同理，应用于焊后热处理后退侧端口(12)。按不同工艺要求，通过连接不同端口，使得电流高密度集中于工艺所需的前进侧或后退侧，形成不同的温度场分布。
作为优选，可调控电流分布装置由导流板(3)构成：导流板(3)为铜质材质，可以高效集中电流密度。
作为优选，搅拌针(1)上端夹持端涂有绝缘漆料(13)，导流板(3)下端固定在绝缘底板(5)上，使设备不受外界电源的影响，保护了控制系统不受外电流的影响。
作为优选，焊接过程中，绝缘底板(5)需要承受较大压力，同时需要耐高温且绝缘，选用氧化铝陶瓷材质。
作为优选，导流板(3)选用导电性能好的紫铜材质。
二、具体实施例：
以下实施例是按照本发明提供的搅拌头和搅拌摩擦焊接方法来实施的，但并不用于限制本发明。
例1：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接6mm厚的2219铝板，焊接工艺参数如下：采用直流电源提供电流，直流电流为20—400A，搅拌针转速为500-1000rmp，焊接速度为60-160mm/min。根据实际焊接对象和材料对焊接工艺参数展开优化工作，考虑外加辅助电流对焊接热输入的影响及辅助电流对焊接小工艺参数的影响。其中连接于导流板预热前进侧口的焊接接头断裂位置发生改变，同时抗拉强度有7％的提升。
本发明的保护范围由权利要求书限定。确定焊接规范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)

1.一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，焊接开始前，搅拌针(1)高速旋转扎入待焊工件1(4)和待焊工件2(6)，搅拌针(1)与待焊工件接触，待达到工艺要求的下压量时，完成下扎过程，闭合电源开关，外接焊接电源(8)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(1)，之后通过待焊工件1(4)和待焊工件2(6)流向导流板(3)，导流板(3)平均分布有四个电源导通端口，分别为预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通端口，通过铜制螺栓(7)固定导流板(3)和电线，最后电流流经导流板(3)回到电源(8)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，使焊接过程在摩擦热、电阻热及电流共同作用下完成焊接。
2.如权利要求1所述的一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述导流板(3)可调控焊缝前进侧和后退侧电流分布，改变前进侧和后退侧的温度分布。其导流板(3)连线端分别为预热前进侧端口(9)、预热后退侧端口(10)、焊后热处理前进侧端口(11)和焊后热处理后退侧端口(12)四类端口。按不同工艺要求，通过连接不同端口，使得电流高密度集中于工艺所需的前进侧或后退侧，形成不同的温度场分布。
3.如权利要求1所述的一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，导流板(3)为铜质材质。
4.如权利要求1所述的一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，搅拌针(1)上端夹持端涂有绝缘漆料(13)，导流板(3)下端固定在绝缘底板(5)上。
5.如权利要求1所述的一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，导流板(3)选用导电性能好的紫铜材质。
6.如权利要求1所述的一种可调控电流分布载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，绝缘底板(5)选用氧化铝陶瓷材质。
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