CN109249124A - 一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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张扬
从孟启
张云龙
陈逸
王洪金
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Abstract

本发明公开了一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法。该无匙孔搅拌摩擦焊接方法包括机体、驱动装置和搅拌头，机体上设驱动装置和搅拌头，搅拌头包括搅拌针和轴肩，搅拌针设在轴肩内，搅拌针和轴肩分别与各自的驱动装置相连接，驱动装置数量设两个，驱动装置用于搅拌头提供旋转、平移或升降及焊接参数的调节，搅拌针和轴肩分体设置，且搅拌针可与轴肩沿法向作相对运动。它具有结构简单、操作工艺参数设置简单、便于控制、便于生产观察和工作安全可靠等特点；能够提升焊缝的力学性能与美观性；能实现直缝或环焊焊接无匙孔的要求。

Description

一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦产热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转，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。在焊接过程中，工件固定在刚性背垫上，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，搅拌头(主要是轴肩)与工件之间的摩擦热，使搅拌头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。轴肩除了产热作用，同时可以起到防止塑性状态材料溢出、清除表面氧化膜的作用。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是搅拌头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
应该指出，由于搅拌摩擦焊后会在终焊位置留一下个长度、直径与搅拌针相当的匙孔，此孔洞严重影响了焊缝的力学性能与美观，极大的限制了搅拌摩擦焊的应用。为了解决匙孔问题，通常的做法是将其切除掉，但是在航天储罐等重要部件的环缝焊接上，最后匙孔部位无法被切除，必须使用塞补焊技术将孔洞堵住，塞补后的匙孔位置往往成为焊缝中的薄弱点，得不偿失。现有的无匙孔搅拌摩擦焊方法(例如中国发面专利说明书中CN102615417B中公开了一种注入式无匙孔搅拌摩擦焊装置)只适用于点焊，对于直缝或环缝焊接仍然以有匙孔的搅拌摩擦焊方法为主，匙孔问题不可避免。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法。它具有结构简单、操作工艺参数设置简单、便于控制、便于生产观察和工作安全可靠等特点；能够提升焊缝的力学性能与美观性；能实现直缝或环焊焊接无匙孔的要求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法。该方法包括机体、驱动装置和搅拌头，机体上设驱动装置和搅拌头，搅拌头包括搅拌针和轴肩，搅拌针设在轴肩内，搅拌针和轴肩分别与各自的驱动装置相连接，驱动装置数量设两个，驱动装置用于搅拌头提供旋转、平移或升降及焊接参数的调节，搅拌针和轴肩分体设置，且搅拌针可与轴肩沿法向作相对运动。
该方法焊接步骤如下：
步骤1：焊接从启焊位置开始时，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压量和焊接路径等，启动动力装置，搅拌头的搅拌针与轴肩高速旋转；
步骤2：当搅拌头的搅拌针插入待焊工件，轴肩压入母材一定量后，焊接部位母材受摩擦热软化，搅拌头的搅拌针与轴肩沿焊接方向前进，连接位置受到搅拌针的剧烈摩擦和轴肩的锻压作用，从而形成焊缝；
步骤3：当焊接进行到终焊位置时，搅拌头整体不动，搅拌头的搅拌针回抽的同时轴肩下压，当受到轴肩挤压的塑性金属填满搅拌针退出的匙孔时，且通过控制搅拌头的搅拌针与轴肩的运动速度，使得匙孔填满后搅拌头的搅拌针的下端面与轴肩的下端面位于同一个平面时，搅拌头整体抬升；
步骤4：焊接完成。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：由于采用了上述结构和焊接方法，焊接时，在终焊位置留下略低于工件上平面的轴肩面积大小的一个斑痕取代了传统搅拌摩擦焊终焊点的匙孔，从而提高了终焊位置的各项接头力学性能与美观性；除了终焊位置，启焊与焊接过程与传统搅拌摩擦焊无异，工艺参数简单且便于控制；相对于无匙孔搅拌摩擦点焊，取消了轴肩外的套筒结构，简化了结构，且便于生产观察；可实现传统搅拌摩擦焊方法无法实现的直缝或环缝焊接无匙孔。
附图说明
图1为本发明无匙孔搅拌摩擦焊接方法的搅拌头结构示意图；
图2为本发明无匙孔搅拌摩擦焊接方法的启焊位置和终焊位置工作原理结构示意图；
图3-图5为本发明无匙孔搅拌摩擦焊接方法的终焊位置工作原理结构示意图；
图6-图7为本发明无匙孔搅拌摩擦焊接方法的匙孔补偿体积放大结构示意图；
图中：1－搅拌针、2－轴肩、3－焊缝、4－匙孔内补偿金属、QH－启焊位置、ZH－终焊位置、V1-轴肩挤压金属体积和V2-匙孔内补偿金属体积。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1－图7示出了本发明各种工作原理结构示意图。一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法。它包括机体(图中未视出)、驱动装置(图中未视出)和搅拌头，机体(图中未视出)上设驱动装置(图中未视出)和搅拌头，搅拌头包括搅拌针1和轴肩2，搅拌针1设在轴肩2内，搅拌针1和轴肩2分别与各自的驱动装置相连接，驱动装置数量设两个，驱动装置用于搅拌头提供旋转、平移或升降及焊接参数的调节，搅拌针1和轴肩2分体设置，且搅拌针1可与轴肩2沿法向作相对运动。由于轴肩2表面积远大于搅拌针1的表面积，所以在终焊位置ZH只留下一个轴肩2面积大小的斑痕，且轴肩挤压金属体积V1等于匙孔内补偿金属体积V2。焊接时，在终焊位置ZH留下略低于工件上平面的轴肩2面积大小的一个斑痕取代了传统搅拌摩擦焊终焊点的匙孔，从而提高了终焊位置ZH的各项接头力学性能与美观性；除了终焊位置ZH，启焊与焊接过程与传统搅拌摩擦焊无异，工艺参数简单且便于控制；相对于无匙孔搅拌摩擦点焊，取消了轴肩2外的套筒结构，简化了结构，且便于生产观察；可实现传统搅拌摩擦焊方法无法实现的直缝或环缝焊接无匙孔。它具有结构简单、操作工艺参数设置简单且便于控制、便于生产观察和工作安全可靠等特点；能够提升焊缝3的力学性能与美观性；能实现直缝或环焊焊接无匙孔的要求。
本发明提供了一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
步骤1：焊接从启焊位置QH开始时，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压量和焊接路径等，启动动力装置，搅拌头的搅拌针1与轴肩2高速旋转；
步骤2：当搅拌头的搅拌针1插入待焊工件，轴肩2压入母材一定量后，焊接部位母材受摩擦热软化，搅拌头的搅拌针1与轴肩2沿焊接方向前进，连接位置受到搅拌针1的剧烈摩擦和轴肩2的锻压作用，从而形成焊缝3；
步骤3：当焊接进行到终焊位置ZH时，搅拌头整体不动，搅拌头的搅拌针1回抽的同时轴肩2下压，当受到轴肩2挤压的塑性金属填满搅拌针1退出的匙孔时，且通过控制搅拌头的搅拌针1与轴肩2的运动速度，使得匙孔填满后搅拌头的搅拌针1的下端面与轴肩2的下端面位于同一个平面时，这时轴肩挤压金属体积V1等于匙孔内补偿金属体积V2，搅拌头整体抬升；
步骤4：焊接完成。
本发明的焊接过程同传统有匙孔搅拌摩擦焊一致，只是在终焊位置ZH通过搅拌针1与轴肩2的相对运动来实现无匙孔。
本发明一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法的焊接原理为：如图2所示，焊接从启焊位置QH开始时，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度和焊接路径等，启动动力装置，搅拌针1与轴肩2高速旋转，当搅拌针1插入工件，轴肩2压入母材一定量后，焊接部位母材受摩擦热软化，搅拌针1与轴肩2沿焊接方向前进，连接位置受到搅拌针1的剧烈摩擦和轴肩2的锻压作用从而形成焊缝3。
如图3—5所示，当焊接进行到终焊点时，搅拌头整体不动，搅拌针1回抽的同时轴肩2下压，当由于受到轴肩2挤压的塑性金属填满搅拌针1退出的匙孔，且通过控制搅拌针1与轴肩2的运动速度使得匙孔填满后搅拌针1的下端面与轴肩2的下端面齐平(位于同一个平面)时，轴肩挤压金属体积V1等于匙孔内补偿金属体积V2，搅拌头整体抬升，焊接完成。
如图6－7所示，由于轴肩2的表面积远大于搅拌针1的表面积，若两者挤压作用的金属要形成相同的体积，则轴肩2挤压金属的体积高度远小于搅拌针1的高度(例如搅拌针1直径为6mm，轴肩2直径为25mm，若要填补深度为7mm的匙孔，轴肩2只需下压0.43mm)，所以在终焊点位置(终焊位置)留下一个面积与轴肩2相等且略低于工件上表面的斑痕。因为是将轴肩2面积下的部分材料(补偿金属)填补入匙孔内，且轴肩挤压金属体积V1等于匙孔内补偿金属体积V2，故称之为补偿式无匙孔搅拌摩擦焊。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化。

Claims (6)

1.一种无匙孔搅拌摩擦焊接方法，它包括机体、驱动装置和搅拌头，机体上设驱动装置和搅拌头，其特征在于：搅拌头包括搅拌针(1)和轴肩(2)，搅拌针(1)设在轴肩(2)内，搅拌针(1)和轴肩(2)分别与各自的驱动装置相连接，驱动装置数量设两个，驱动装置用于搅拌头提供旋转、平移或升降及焊接参数的调节，搅拌针(1)和轴肩(2)分体设置，且搅拌针(1)可与轴肩(2)沿法向作相对运动。
2.如权利要求1所述的无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：焊接从启焊位置(QH)开始时，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度和焊接路径，启动动力装置，搅拌头的搅拌针(1)与轴肩(2)高速旋转；
步骤2：当搅拌头的搅拌针(1)插入待焊工件，轴肩(2)压入母材一定量后，焊接部位母材受摩擦热软化，搅拌头的搅拌针(1)与轴肩(2)沿焊接方向前进，连接位置受到搅拌针(1)的剧烈摩擦和轴肩(2)的锻压作用，从而形成焊缝(3)；
步骤3：当焊接进行到终焊位置(ZH)时，搅拌头整体不动，搅拌头的搅拌针(1)回抽的同时轴肩(2)下压，当受到轴肩(2)挤压的塑性金属填满搅拌针(1)退出的匙孔时，且通过控制搅拌头的搅拌针(1)与轴肩(2)的运动速度，使得匙孔填满后搅拌头的搅拌针(1)的下端面与轴肩(2)的下端面位于同一个平面时，搅拌头整体抬升；
步骤4：焊接完成。
3.如权利要求2所述的无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在所述终焊位置(ZH)通过搅拌针(1)与轴肩(2)的相对运动来实现无匙孔。
4.如权利要求2所述的无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述轴肩挤压金属体积(V1)等于匙孔内补偿金属(4)体积(V2)，搅拌头整体抬升。
5.如权利要求2所述的无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在所述终焊位置(ZH)留下一个面积与轴肩(2)相等且略低于工件上表面的斑痕。
6.如权利要求2所述的无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述焊接方法为补偿式无匙孔搅拌摩擦焊。
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