CN109317815A - 一种搅拌摩擦焊焊接装置及采用该装置进行焊接的方法 - Google Patents

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刘文明
严银飞
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Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊焊接装置及采用该装置进行焊接的方法，该装置包括感应线圈和感应加热装置，感应线圈套设于搅拌头下端，感应加热装置与焊接臂连接固定，搅拌头上设有温度传感器，其和感应加热系统通过PLC控制系统调控；焊接方法包括对搅拌头进行预热至所需温度后，对待焊工件进行焊接，最后根据温度传感器反馈温度至PLC控制系统，进行感应线圈的加热调节。该焊接装置不仅结构简单，操作方便，且通过感应线圈包裹搅拌头，磁感强度大，从而能够对搅拌头进行迅速加热，升温速率快；同时，该焊接方法不仅降低了焊接起始预热时间，且在焊接时通过对搅拌头进行感应加热，减小了待焊工件的热影响区，提高了接头强度和焊接质量。

Description

一种搅拌摩擦焊焊接装置及采用该装置进行焊接的方法
技术领域
本发明属于焊接领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊焊接装置及采用该装置进行焊接的方法。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，该项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他连接方法所不具备的显著特点，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。
相对于铝合金等低熔点材料而言，钢和钛等高熔点金属及其合金的搅拌摩擦焊在焊接时需要更多的热量，现有方法是通过提高搅拌头转速来加剧摩擦产热，提高热输入，但这种方法对搅拌头的高温耐磨性和韧性提出了更高的要求，同时搅拌头的高转速也会带来的孔洞、隧道等缺陷。
现有的搅拌焊接过程中均为直接对工件进行加热，此方法热传导严重，升温速率低，更扩大了接头的热影响区，降低接头性能。
因此，现亟需一种新的焊接方式，其能够有效克服现有的焊接方式所带来的弊端。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种结构简单、操作方便，且加热迅速的搅拌摩擦焊焊接装置；
本发明的第二目的是提供采用该焊接装置进行焊接的方法，该方法能够提高焊接质量和效率，且减小接头的热影响区，提高接头强度。
技术方案：本发明的搅拌摩擦焊焊接装置，包括焊接臂及设于该焊接臂下端的搅拌头，还包括感应加热系统，该感应加热系统包括感应加热装置和感应线圈，其中，感应线圈套设于搅拌头下端，感应加热装置与焊接臂连接固定；所述搅拌头上设有温度传感器。
进一步说，温度传感器和感应加热系统均通过PLC控制系统调控。感应线圈与搅拌头同心设置，其内壁距离搅拌头的外表面10～30mm。感应线圈的最下端距离搅拌头的底端5～10mm，从而能够有效保证搅拌头具有一定的下压量。
再进一步说，搅拌头通过夹持装置固定于焊接臂上，感应线圈位于该夹持装置的下端。感应线圈的最上端距离夹持装置的底端5～10mm，从而有效防止与夹持装置接触摩擦。搅拌头和夹持装置间设有隔热套。温度传感器设于搅拌头的上端，其测温端延伸至搅拌头的中下端。
本发明采用搅拌摩擦焊焊接装置进行焊接的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)根据待焊工件，确定搅拌头所需温度；
(2)启动感应加热系统、温度传感器和PLC控制系统，对搅拌头进行预热至所需温度后，对待焊工件进行焊接；
(3)焊接中温度传感器反馈温度至PLC控制系统，PLC控制系统调控感应加热系统进行感应线圈的加热调节，补偿搅拌头的温度，直至完成焊接作业。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该焊接装置不仅结构简单，操作方便，且通过感应线圈包裹搅拌头，磁感强度大，从而能够对搅拌头进行迅速加热，升温速率快，降低了搅拌头的磨损，提高了寿命，降低了焊接成本；同时，采用该装置进行焊接的方法，不仅降低了焊接起始预热时间，在同样的搅拌头旋转速度下，热输入大，能够采用更大的前进速度进行焊接，大大增加了工作效率，且在焊接时通过对搅拌头进行感应加热，减小了接头的热影响区(熔焊时在高温热源的作用下，靠近焊缝两侧的一定范围内发生组织和性能变化的区域，为接头强度最弱区域)，提高了接头强度和焊接质量。
附图说明
图1为本发明焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的搅拌摩擦焊焊接装置，包括焊接臂1、位于该焊接臂1下端的搅拌头2以及固定连接于焊接臂1上、能够随着搅拌头2同步焊接移动的感应加热系统，该感应加热系统包括感应加热装置3和感应线圈4。搅拌头2通过夹持装置6固定连接于焊接臂1上，感应线圈4套设于搅拌头2、位于夹持装置6的下端，其与搅拌头2同心设置，内壁距离搅拌头2的外表面10～30mm，不接触搅拌头2，感应线圈4的最下端距离搅拌头2的底端5～10mm，最上端距离夹持装置6的底端5～10mm。搅拌头2上还设有温度传感器5，该温度传感器5位于搅拌头2的上端，搅拌头2上同时开设有通孔，用于安置温度传感器5的测温端，且该测温端延伸至搅拌头2的中下端，通过对搅拌头2的温度进行时时精准监测并反馈至PLC控制系统，通过该PLC控制系统再对感应加热系统进行调控，从而对搅拌头2的温度进行补偿。搅拌头2和夹持装置6间设有隔热套7，从而减少搅拌头2热量的损失。
本发明采用上述搅拌摩擦焊焊接装置进行焊接的方法，包括如下步骤：
(1)根据待焊工件，确定搅拌头2所需温度；
(2)启动感应加热系统、温度传感器5和PLC控制系统，对搅拌头2进行预热至所需温度后，启动焊接装置使得搅拌头2旋转，旋转稳定后，搅拌头2下压对待焊工件进行焊接；
(3)焊接过程中，根据温度传感器5反馈温度至PLC控制系统，PLC控制系统调控感应加热系统进行加热调节，通过控制感应线圈作业的时间和功率，对搅拌头2温度进行补偿，实现焊接过程中搅拌头2温度的精确补偿控制，确保稳定的焊接热输入，直至完成焊接作业。
实施例1
对1mm厚的304不锈钢进行搅拌摩擦焊的搭接：
焊接工具参数：搅拌头轴肩直径16mm，搅拌针直径4mm，长度1.5mm。
(1)启动感应加热系统，设定搅拌头预热温度900℃，预热时间为5s，使搅拌头被加热区域温度保持至900℃；
(2)设定工作温度为1000℃，启动焊接装置对待焊工件进行焊接，直至完成焊接作业，关闭感应加热系统；其中，搅拌头转速1000r/min，焊接速度为80mm/min。
对比例1
对1mm厚的304不锈钢采用现有的焊接装置进行搅拌摩擦焊的搭接，具体包括如下步骤：
焊接工具参数：搅拌头轴肩直径16mm，搅拌针直径4mm，长度1.5mm。
(1)启动焊接装置，搅拌头转速1200r/min，预热10s；
(2)设定焊接速度为40mm/min进行焊接即可。
将实施例1和对比例1进行对比可知，使用感应加热系统后，预热时间减少了50％，焊接速度提高2倍；同时，使用感应加热系统后，焊核区显微硬度提高了17％，接头剪切强度提高了14％。
实施例2
对3mm厚的0Cr18Ni9不锈钢进行搅拌摩擦焊的对接：
焊接工具参数：搅拌头轴肩直径20mm，搅拌针直径6mm，长度2.8mm。
(1)启动感应加热系统，设定搅拌头预热温度1000℃，加热时间为5s，使搅拌头被加热区域温度保持至1000℃；
(2)设定工作温度为1100℃，启动焊接装置对待焊工件进行焊接，直至完成焊接作业，关闭感应加热系统；其中，搅拌头转速800r/min，焊接速度为130mm/min。
对比例2
对3mm厚的0Cr18Ni9不锈钢采用现有的焊接装置进行搅拌摩擦焊的对接，具体包括如下步骤：
焊接工具参数：搅拌头轴肩直径20mm，搅拌针直径6mm，长度2.8mm。
(1)启动焊接装置，搅拌头转速600r/min，预热时间为10s。
(2)设定焊接速度为70mm/min进行焊接即可。
将实施例2和对比例2进行对比可知，使用感应加热系统后，预热时间减少了50％，焊接速度提高1.8倍；同时，使用感应加热系统后，焊缝热影响区宽度减小了20％，焊核区显微硬度提高了21％，接头拉伸强度提高了19％。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊焊接装置，包括焊接臂(1)及设于该焊接臂(1)下端的搅拌头(2)，其特征在于：还包括感应加热系统，该感应加热系统包括感应加热装置(3)和感应线圈(4)，其中，感应线圈(4)套设于搅拌头(2)下端，感应加热装置(3)与焊接臂(1)连接固定；所述搅拌头(2)上设有温度传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述温度传感器(5)和感应加热系统均通过PLC控制系统调控。
3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述感应线圈(4)与搅拌头(2)同心设置，其内壁距离搅拌头(2)的外表面10～30mm。
4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述感应线圈(4)的最下端距离搅拌头(2)的底端5～10mm。
5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述搅拌头(2)通过夹持装置(6)固定于焊接臂(1)上，感应线圈(4)位于该夹持装置(6)的下端。
6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述感应线圈(4)的最上端距离夹持装置(6)的底端5～10mm。
7.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述搅拌头(2)和夹持装置(6)间设有隔热套(7)。
8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置，其特征在于：所述温度传感器(5)设于搅拌头(2)的上端，其测温端延伸至搅拌头(2)的中下端。
9.采用权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊接装置进行焊接的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)根据待焊工件，确定搅拌头(2)所需温度；
(2)启动感应加热系统、温度传感器(5)和PLC控制系统，对搅拌头(2)进行预热至所需温度后，对待焊工件进行焊接；
(3)焊接中温度传感器(5)反馈温度至PLC控制系统，PLC控制系统调控感应加热系统进行感应线圈(4)的加热调节，补偿搅拌头(2)的温度，直至完成焊接作业。
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