CN108890120A - 基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备 - Google Patents
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Abstract
一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，采用搅拌头作为电极，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复合热源搅拌摩擦焊接；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。本发明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，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
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，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 stirwelding，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。作为高熔点材料，钛合金的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，导致搅拌头磨损，并限制焊接速度的提高。同时也存在飞边和孔洞缺陷等缺点。
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，静轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW)成为一种优化焊接方法。钛合金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。静轴肩搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针尖端与轴肩分为两个部分，轴肩静止，内部搅拌针高速旋转参与焊接，将热输入更加集中于焊缝搅拌区，改善了原来较大的温度梯度，提升了焊缝质量。
在中厚板钛合金的静轴肩搅拌摩擦焊接过程中，轴肩不参与产热，搅拌针是唯一的产热源，为了提供足够热输入，则需要使用大的焊接规范才能获得成形良好的焊缝。载流辅助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
本发明的目的在于克服钛合金搅拌摩擦焊接过程的缺陷及不足，提供一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，解决了接头表面过热和焊接板材厚度方向上温度梯度较大的问题，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，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：
一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，包括：针柄架(1)、导电滑环(2)、静轴肩(6)、导流板(8)、、电源(12)、搅拌针(15)，其中，搅拌针(15)顶端垂直固定在针柄架(1)上，焊接开始前，搅拌针(15)高速旋转扎入待焊工件1(7)和带焊工件2(10)，静轴肩(6)与待焊工件接触，防止塑化材料从转动的搅拌针(15)下端周围挤出；完成下扎过程后，闭合电源开关，外接焊接电源(12)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(15)，之后通过工件1(7)和带焊工件2(10)流向导流板(8)，导流板(8)平均分布有四个电源导通口，分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通口，通过铜制螺栓(11)固定导流板(8)和电线，最后电流流经导流板(8)回到电源(12)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(8)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。
一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，包括：载流装置，导流装置，冷却装置，气体保护装置和绝缘装置，其中，
载流装置由以下结构构成：在焊接过程中，电流通过外接焊接电源(12)、导电滑环(2)、搅拌针(15)、焊接工件(7)和(10)、导流板(8)，最后流回焊接电源(12)构成闭合回路，形成载流搅拌摩擦焊接方式；
导流装置由导流板(8)构成，其连线端分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)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；
冷却装置由水冷通气连接器(4)、进水口连接头(3)、出水口连接头(13)和冷却液构成，冷却液从进水口(3)进入，从出水(13)口出，将热量带走；
气体保护装置由水冷通气连接器(4)构成，6个进气口(5)均匀分布于水冷通气连接器(4)下侧，氩气保护气均匀分布从出气口排出，组成隔绝空气的氩气气帘，使焊接区和热影响区高温钛合金获得良好保护，防止吸氢、吸氧、吸氮现象的产生；
绝缘装置由绝缘板(16)、绝缘底板(9)和静轴肩(6)组成。
作为优选，顶部绝缘板(16)采用聚甲醛树脂材料制成。
作为优选，静轴肩(6)和绝缘底板(9)采用氧化铝陶瓷材料制成。
作为优选，导流板(8)采用紫铜材料制成。
与现有焊接技术相比，本发明的优点如下：
(1)载流搅拌摩擦焊接，使焊核区晶粒细化，缩短焊接时间，降低设备焊接规范，减少搅拌针磨损。
(2)静轴肩搅拌摩擦焊接解决了钛合金传统搅拌摩擦焊接头在板厚方向上存在较大的温度梯度问题，接头受热均匀。
(3)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，改变焊缝断裂位置，提升焊缝质量。
附图说明
图1为本发明基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备的结构示意图；
图2为基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备的俯视图。
图中：针柄架(1)、导电滑环(2)、进水口(3)、水冷通气连接器(4)、进气口(5)、静轴肩(6)、待焊工件1(7)、导流板(8)、绝缘底板(9)、待焊工件2(10)、铜制螺栓(11)、电源(12)、出水口(13)、腔体(14)、搅拌针(15)、绝缘板(16)、预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)、焊后热处理后退侧端口(20)。
具体实施方式
本发明提供一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，通过电流产生电阻热，增加了钛合金在搅拌摩擦焊接过程中的热输入，在摩擦热、电阻热、电流的电致塑性的共同作用下，改变了材料的粘塑性，增强材料的流动性，细化晶粒，惰性气体对焊接区进行隔离保护。按工艺要求改变导流板内电流密度和导通方式，改善焊缝前进侧和后退侧温度差，改变焊缝断裂位置，减少焊缝缺陷。同时，延长搅拌针的使用寿命。
以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。
如图1、2所示，本发明提供一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，在焊接过程中，搅拌针(15)顶端垂直固定在针柄架(1)上。焊接开始前，搅拌针(15)高速旋转扎入待焊工件1(7)和带焊工件2(10)，静轴肩(6)与待焊工件接触，防止塑化材料从转动的搅拌针(15)底部周围挤出。完成下扎过程后，闭合电源开关，外接焊接电源(12)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(15)，之后通过工件1(7)和带焊工件2(10)流向导流板(8)，导流板(8)平均分布有四个电源导通端口，分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通口，通过铜制螺栓(11)固定导流板(8)和电线，最后电流流经导流板(8)回到电源(12)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。导流板(8)下方固定在绝缘底板(9)上，防止电流对焊接设备造成伤害。本发明中，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。当电流导通导流板(8)的预热前进侧端口时(17)，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(8)的预热后退侧端口时(18)，电流密度集中在焊接工件的后退侧。当电流导通导流板(8)的焊后热处理前进侧端口(19)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(20)。
为了获得更优良的钛合金焊缝，优化焊接工艺，降低焊接能耗，本发明在搅拌摩擦焊机头与焊接工作台间接通外接电流，在低功耗的小的焊接工艺参数下，通过电流的电阻热增强焊接热输入，钛合金在摩擦热，电阻热和电流的共同作用下进行焊接，提高了焊接材料的粘塑性，焊接区金属流塑性更好，避免了传统焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生。同时，钛合金在电流作用的焊接过程中，电致塑性使得焊接区的塑性金属晶粒得到细化，提高了焊接质量。
如图1所示，一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备包括：载流装置，导流装置，冷却装置及气体保护装置、绝缘装置。在焊接过程中，电流通过外接焊接电源(12)、导电滑环(2)、搅拌针(15)、焊接工件(7)和(10)、导流板(8)，最后流回焊接电源(12)构成闭合回路，形成载流搅拌摩擦焊接方式；水冷通气连接器(4)内部是一个中空结构的腔体(14)，进水口(3)和出水口(13)连接头将冷却液引入和排出冷却通气腔体，使冷却液在空腔内循环流动，达到降低控制搅拌针(15)温度的目的；水冷通气连接器(4)下端均匀设有6个进气口(5)连接头，在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝吸氢、吸氧和吸氮；通过绝缘材料，使载流搅拌摩擦焊机头与设备工作台绝缘。
作为优选，所述搅拌针(15)上端为正方体，便于与针柄架(1)固定，下端为圆柱体搅拌针，且材料为耐高温钨铼合金。
搅拌头载流装置由以下结构构成：外接电源(12)通过导线与导电滑环(2)连接，导电滑环(2)与搅拌针(15)接触。直到搅拌针(15)与待焊工件接触，电流通过待焊工件(7)和(10)流向导流板(8)，按工艺要求连接导流板(8)的另外一端断口，通过铜制螺栓(11)将电流通过电线流回电源(12)，形成闭合回路，构成载流搅拌摩擦焊接方式。
导流装置由导流板(8)构成：导流板(8)为铜质材质，可以集中电流密度。连线端分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)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，形成不同的温厂分布。
搅拌头冷却装置由水冷通气连接器(4)、进水口连接头(3)、出水口连接头(13)和冷却液构成，水冷通气连接器(4)由紫铜材质做成，有良好的导热性。冷却液从进水口(3)进入，从出水(13)口出，将热量带走，提高搅拌头(15)的使用寿命，构成良好的冷却装置。
搅拌头气体保护装置由水冷通气连接器(4)构成，6个进气口(5)均匀分布于水冷通气连接器(4)下侧，氩气保护气均匀分布从出气口排出，组成隔绝空气的氩气气帘，使焊接区和热影响区高温钛合金获得良好保护，防止吸氢、吸氧、吸氮现象的产生，降低了焊缝缺陷，优化了焊接性能。
绝缘装置由绝缘板(16)、绝缘底板(9)和静轴肩(6)形成，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。
实施例1：
以下实施例是按照本发明提供的搅拌头和搅拌摩擦焊接设备来实施的，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，氩气保护为10-20L/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)
1.一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，包括：针柄架(1)、导电滑环(2)、静轴肩(6)、导流板(8)、、电源(12)、搅拌针(15)，其中，搅拌针(15)顶端垂直固定在针柄架(1)上，焊接开始前，搅拌针(15)高速旋转扎入待焊工件1(7)和带焊工件2(10)，静轴肩(6)与待焊工件接触，防止塑化材料从转动的搅拌针(15)下端周围挤出；完成下扎过程后，闭合电源开关，外接焊接电源(12)电流通过导电滑环(2)导通到搅拌针(15)，之后通过工件1(7)和带焊工件2(10)流向导流板(8)，导流板(8)平均分布有四个电源导通口，分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)，按工艺要求和电流密度及流向连接各个电流导通口，通过铜制螺栓(11)固定导流板(8)和电线，最后电流流经导流板(8)回到电源(12)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所述的基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，所述导流板(8)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。
3.一种基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，包括：载流装置，导流装置，冷却装置，气体保护装置和绝缘装置，其中，
载流装置由以下结构构成：在焊接过程中，电流通过外接焊接电源(12)、导电滑环(2)、搅拌针(15)、焊接工件(7)和(10)、导流板(8)，最后流回焊接电源(12)构成闭合回路，形成载流搅拌摩擦焊接方式；
导流装置由导流板(8)构成，其连线端分别为预热前进侧端口(17)、预热后退侧端口(18)、焊后热处理前进侧端口(19)和焊后热处理后退侧端口(20)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；
冷却装置由水冷通气连接器(4)、进水口连接头(3)、出水口连接头(13)和冷却液构成，冷却液从进水口(3)进入，从出水(13)口出，将热量带走；
气体保护装置由水冷通气连接器(4)构成，6个进气口(5)均匀分布于水冷通气连接器(4)下侧，氩气保护气均匀分布从出气口排出，组成隔绝空气的氩气气帘，使焊接区和热影响区高温钛合金获得良好保护，防止吸氢、吸氧、吸氮现象的产生；
绝缘装置由绝缘板(16)、绝缘底板(9)和静轴肩(6)组成。
4.如权利要求3所述的基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，顶部绝缘板(16)采用聚甲醛树脂材料制成。
5.如权利要求3所述的基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，静轴肩(6)和绝缘底板(9)采用氧化铝陶瓷材料制成。
6.如权利要求3所述的基于可调控电流分布钛合金载流静轴肩搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，导流板(8)采用紫铜材料制成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181127 |