CN109365991B - 一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，包括零倾角焊接模块、恒压力控制模块和搅拌工具模块，所述零倾角焊接模块使焊接过程中搅拌工具中心线始终与待焊工件表面法线方向平行；所述恒压力控制模块使焊接过程中搅拌工具对工件的轴向压力恒定；所述搅拌工具模块包括轴肩、搅拌针和夹持端。本发明可在没有外部材料填充的条件下实现焊缝区域材料增加，从根本上解决了焊缝减薄问题，极大提高了焊缝区域的疲劳性能。此外，焊接过程无飞边产生，减少了焊后焊缝打磨工序，提高了生产效率；采用零倾角焊接降低了二维及三维焊缝焊接时对焊接设备的要求，减少了倾角调节机构，拓宽了搅拌摩擦焊接的应用范围。

Description

一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置及其方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置及方法，可在没有外部材料填充的条件下实现焊缝区域材料增加。
背景技术
搅拌摩擦焊接作为新型的固相连接技术，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。在传统搅拌摩擦焊接时，轴肩需要对被焊工件表面施加一定的压入量，保证热塑性材料得到足够的顶锻力，从而形成优质接头。压入量的存在会导致焊缝减薄现象，并在焊缝两侧产生飞边。焊缝减薄会降低焊接接头的力学性能，尤其是在疲劳载荷下，会严重降低焊缝区域材料的疲劳性能。
现有技术一般采用在焊接表面留有一定的加工余量，待焊接完成后进行表面机加工，消除焊缝减薄的影响。但该方法造成材料去除量大，工件材料浪费，生产效率低。同时，飞边的存在，增加了焊后去飞边工序和相关设备的投入，造成生产成本增加。申请号为201410138224.9，发明名称为《一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法》的中国专利公开了焊缝区域零减薄的工艺，该发明在焊接过程中采用压入量恒为零的控制模式，且轴肩采用内凹型结构，焊缝增加的材料极易被轴肩去除，焊缝增厚的效果有限。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种可在没有外部材料填充的条件下有效实现焊缝区域材料增加的装置及方法，从根本上解决了焊缝减薄问题，极大提高了焊缝区域的疲劳性能。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，包括零倾角焊接模块、恒压力控制模块和搅拌工具模块，所述零倾角焊接模块使焊接过程中搅拌工具中心线始终与待焊工件表面法线方向平行，在焊接过程中保持轴肩与工件表面零倾角接触；所述恒压力控制模块使焊接过程中搅拌工具对工件的轴向压力恒定，所述轴向压力值可通过搅拌工具在焊接的转速和移动速度的条件下试验测得；所述搅拌工具模块包括轴肩、搅拌针和夹持端。
优选的，搅拌工具模块的轴肩端面为外凸球面，外凸尺寸为0.2mm～0.5mm，保证焊接过程中搅拌工具挤出的材料始终位于轴肩下部，而未挤出轴肩区域。外凸球面上加工螺旋沟槽结构，增强轴肩下部材料向中心聚拢的能力。
优选的，恒压力控制模块的压力值是搅拌工具在特定转速和移动速度的条件下试验测得的保证焊缝质量的最小轴向压力值的1.1～1.2倍。
优选的，搅拌工具模块的轴肩、搅拌针和夹持端三者为一体结构或分体结构。
优选的，焊接材料的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。
一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接的方法，采用实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，焊接步骤有：
前期准备：通过所述搅拌工具在焊接的转速和移动速度的条件下试验测得压力值。
下扎阶段：启动焊机及主轴，带动所述搅拌工具旋转并下移，使所述搅拌工具扎入工件，待所述搅拌工具的所述轴肩的端面与工件表面之间的下压量小于0.2mm时搅拌工具停止下扎，并停留3～5s进行预热。
焊接阶段：通过机床控制系统使焊接过程中所述搅拌工具沿焊缝轨迹焊接，所述恒压力控制模块使所述搅拌工具对工件的轴向压力恒定，该轴向压力值设定为所述试验测得的保证焊缝质量的最小轴向压力值的1.1～1.2倍。
拔出阶段：通过机床控制系统使搅拌工具拔出工件，完成焊接。
本发明所实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接原理在于，搅拌摩擦焊接过程中，焊缝区域的晶粒在机械搅拌力和温度升高两种因素共同作用下，发生晶粒细化，晶粒间隙增多，温度升高又使细小晶粒长大，从而使焊缝区域材料整体体积增加，如图4所示。此外，在下扎阶段，搅拌工具扎入工件所排出的材料被轴肩上的螺旋沟槽收集，在搅拌工具的作用下均匀分布于整条焊缝表面，也增强了焊缝表面材料增厚的的效果。
本发明提供的一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置及方法，与现有技术相比，其优点在于：
(1)本发明可在没有外部材料填充的条件下实现焊缝区域材料增加，从根本上解决了焊缝减薄问题，极大提高了焊缝区域的疲劳性能；
(2)焊接过程无飞边产生，减少了焊后去飞边工序，降低了相关设备投入成本，提高了生产效率；
(3)采用零倾角焊接减少了倾角调节机构，降低了二维及三维焊缝焊接时对焊接设备的要求，拓宽了搅拌摩擦焊接的应用范围；
(4)不需要在焊缝表面预留过多加工余量，减少了焊后机加工的工作量，节省了机加工时间和工件材料用量。
附图说明
图1为实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置示意图；
图2为搅拌工具模块结构示意图；
图3为搅拌工具模块的轴肩外凸尺寸示意图；
图4为搅拌摩擦焊接过程中晶粒尺寸变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例
为详细说明本发明的技术内容、构造特征及所达成目的及效果，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
如图1所示，本发明所涉及的实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置主要由零倾角焊接模块(3)、恒压力控制模块(1)以及搅拌工具模块(2)实现。
零倾角焊接模块(3)保证焊接过程中轴肩与工件表面零倾角接触，恒压力控制模块(1)保证焊接过程中搅拌工具对工件的轴向压力恒定。
搅拌工具模块(2)包括夹持端(4)、轴肩(5)和搅拌针(6)组成，搅拌工具模块(2)的夹持端(4)、轴肩(5)和搅拌针(6)三者为一体结构或分体结构，如图2所示。轴肩(5)端面为外凸球面，外凸尺寸为0.2mm～0.5mm，球面上加工螺旋沟槽结构(7)，如图3所示。
焊接材料的材质可选铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。
下面以厚度为3mm铝合金焊接为例，利用上述装置对实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接的步骤进行说明：
(1)前期准备：设定搅拌工具转速2000r/min，移动速度100mm/min，采用不同轴向压力值对工件进行零倾角焊接，压力值取1KN，1.5KN，2KN，2.5KN，3KN，3.5KN，4KN，4.5KN，5KN，5.5KN，6KN。对不同压力值下的焊接试件进行力学性能及微观组织性能的综合评价，得到满足焊缝质量要求的最小轴向压力F。
(2)下扎阶段：启动焊机及主轴，带动搅拌工具旋转及下移，旋转速度为800r/min，采用焊机位移控制模式使搅拌工具旋转扎入工件，设定机床Z轴向下位移量，保证轴肩的端面与工件表面之间的下压量为0.1mm时搅拌工具停止，并停留3～5s进行预热。
(3)焊接阶段：转速设定为2000r/min，移动速度设定为100mm/min，通过机床控制系统使焊接过程中所述搅拌工具沿焊缝轨迹焊接，搅拌工具采用恒压力控制模块使搅拌工具对工件的轴向压力恒定，该轴向压力值设定为为1.2倍的最小轴向压力F。
(4)拔出阶段：当搅拌工具沿焊缝轨迹焊接到预定位置，采用焊机的位移控制模式使搅拌工具拔出工件，然后停止主轴转动，完成焊接。
虽然本发明已以较佳实施例阐释如上，但本发明包括但不限于以上实施例。本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中。当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括零倾角焊接模块、恒压力控制模块和搅拌工具模块，所述零倾角焊接模块使焊接过程中搅拌工具中心线始终与待焊工件表面法线方向平行，在焊接过程中保持轴肩与工件表面零倾角接触；
所述恒压力控制模块使焊接过程中搅拌工具对工件的轴向压力恒定，所述轴向压力值可通过搅拌工具在焊接的转速和移动速度的条件下试验测得；
所述搅拌工具模块包括轴肩、搅拌针和夹持端；
所述恒压力控制模块的压力值是搅拌工具在特定转速和移动速度的条件下试验测得的最小轴向压力值的1.1～1.2倍；
所述搅拌工具模块的轴肩、搅拌针和夹持端三者为一体结构或分体结构；
所述焊接材料的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。
2.如权利要求1所述的实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述搅拌工具模块的轴肩端面为外凸球面，外凸尺寸为0.2mm～0.5mm，外凸球面上加工螺旋沟槽结构。
3.一种实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，包括权利要求1-2的任意一项实现焊缝增厚的搅拌摩擦焊接装置，其焊接步骤有：
前期准备：通过所述搅拌工具在一定的焊接的转速和移动速度的条件下试验测得压力值；
采用不同焊接压力值对工件进行零倾角焊接，对不同压力值下的焊接试件进行力学性能及微观组织性能的综合评价，得到满足焊缝质量要求的最小轴向压力值F；
下扎阶段：启动焊机及主轴，带动所述搅拌工具旋转并下移，使所述搅拌工具扎入工件，待所述搅拌工具的所述轴肩的端面与工件表面之间的下压量小于0.2mm时搅拌工具停止下扎，并停留3～5s进行预热；
焊接阶段：通过机床控制系统使焊接过程中所述搅拌工具沿焊缝轨迹焊接，所述恒压力控制模块使所述搅拌工具对工件的轴向压力恒定，该压力值设定为前期准备步骤中试验测得的最小轴向压力值F的1.1～1.2倍；
拔出阶段：通过机床控制系统使搅拌工具拔出工件，完成焊接。
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