CN109551097A - 一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，在待焊母材上开一个U型坡口，静止轴肩固定于主轴基体上，搅拌针由与待焊母材相同的材料组成，搅拌针端部加工成与U型坡口截面尺寸略小的形状，当搅拌针与待焊母材接触时摩擦产热，同时搅拌工具沿焊缝方向不断前进，在搅拌工具静止轴肩前沿设计与母材坡口形状相匹配的约束型腔，以约束流动的焊缝材料不能从轴肩前端冒出。本发明可同轴添加焊接材料、增强接头强度，同时复合采用静止轴肩技术，解决了传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头材料减薄、不等厚接头、角接接头焊接难度大的问题。

Description

一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法
技术领域
本发明属于焊接领域，具体涉及一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊领域。
背景技术
近年来，搅拌摩擦焊技术作为一种固相连接技术在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通领域得到了广泛的推广应用。为铝、镁、铜等有色金属的焊接提供了一种行之有效的解决方案。
传统的搅拌摩擦焊技术多是不添加材料进行焊接，焊缝材料来自待焊母材，由于内部微缺陷、焊接飞边、焊缝局部减薄等影响，对焊缝局部的强度存在一定程度的减弱。英国焊接研究所在传统搅拌摩擦焊基础上将轴肩与搅拌针分离，提出静止轴肩搅拌摩擦焊技术，焊接过程中，首先将旋转的搅拌针插入待焊母材，并使静止轴肩与待焊母材表面紧密接触，旋转的搅拌针对待焊母材进行摩擦并搅拌，在界面处产生大量热量，在摩擦热下搅拌针周围的待焊母材呈塑性状态，然后，搅拌工具沿焊接方向移动且静止轴肩仅在母材表面滑动，而不存在压入量，由于受到静止轴肩、搅拌针两侧未发生塑性变形材料以及底板的约束，位于搅拌针前方的材料从搅拌针外侧向后方流动形成焊缝。焊缝材料在焊接过程中发生了剧烈的塑性变形，在焊接热量作用下发生再结晶形成均匀细小的等轴晶，即焊核区；搅拌针两侧的材料由于受到焊缝中粘塑性材料流动的影响，发生轻微变形，即热力影响区；而焊接过程中产生的热量沿焊接试板向周围传递形成热影响区。该技术适用于对接、角接及T型接头的焊接。
静止轴肩搅拌摩擦焊时，可以采用预置填丝或者送进填丝的方法在焊接轴肩前端将材料添加进去，并强制成型以保证焊接接头处的圆滑过渡。该方法采用侧向送丝，通过搅拌针旋转将材料搅入，一般添加丝材较细，需要额外设计填丝装置，焊接主轴机头处装备集成度较差。对形状复杂的焊缝，增加了焊接轨迹规划和机头运动控制的难度。
因此，开发一种新型的开坡口同轴添加材料的搅拌摩擦焊方法，具有重要的意义，本发明还同时复合采用了静止轴肩设计，解决了传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头飞边、焊缝局部减薄、存在应力集中等问题，为不等厚对接接头、角接、T型接头等难度大的异型接头提供一种理想的解决方案，拓宽了搅拌摩擦焊方法的适用范围。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头飞边、焊缝局部减薄、存在应力集中等问题，提出一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，待焊母材(10)上开设一个U型坡口(12)置于在搅拌工具下方；所述搅拌工具包括搅拌针(6)和静止轴肩(8)，所述静止轴肩(8)固定于主轴基体(5)上，所述搅拌针(6)端部截面小于所述U型坡口(12)截面；所述搅拌针(6)在高速旋转的同时被施加轴向力并保持向下进给，当所述搅拌针(6)在所述待焊母材(10)上高速旋转摩擦产热，同时所述搅拌工具沿焊缝方向前进，所述静止轴肩(8)后沿设置有圆角过渡的强制成型槽(13)，维持待焊母材(10)的角接焊缝处拥有与强制成型槽(13)形状相同的圆滑过渡外轮廓；在所述静止轴肩(8)的顶锻压力下，待焊母材(10)从强制成型槽(13)释放出来，在所述静止轴肩(8)前沿设置有与所述U型坡口(12)形状相匹配的约束型腔的约束下形成焊缝。
优选的，待焊母材(10)可采用铝、铜、镁合金或铝基复合材料。
优选的，搅拌针(6)与所述待焊母材(10)为异种材料。
优选的，在所述搅拌工具外部施加压缩空气和水雾冷却的方法进行冷却。
优选的，在所述搅拌工具内部设置有水冷搅拌工具进行冷却。
优选的，所述角焊缝的角度范围为60°-300°。
优选的，在搅拌工具前端向焊缝处喷保护气体，所述保护气体可以是氩气或氦气。
优选的，可对沿焊缝方向曲率保持恒定的不同接头形式进行焊接。
本发明之开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法适用材料范围广泛，适用于铝、铜、镁合金等有色金属、铝基复合材料以及异种材料的焊接，适用于对接、搭接、不等厚对接接头、角接、T型接头等的焊接。解决了传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头飞边、焊缝局部减薄、存在应力集中等问题。采用母材同种材料替代了传统的热作磨具钢等搅拌针材料，可以有效避免金属夹杂，以及搅拌针磨损造成的焊接质量下降，同时，综合了静止轴肩搅拌摩擦焊以及同轴添加材料焊接的优点，提高了搅拌摩擦焊方法的适用性。
附图说明
图1为本发明平板对接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图
图2为本发明平板不等厚对接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图
图3为本发明角接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图
其中1为主轴内部对填充材料及搅拌针实施向下进给力的驱动杆，2为主轴旋转运动接口，3为与搅拌针接触的向下运动驱动块，4为搅拌针旋转运动夹持块，5为主轴基体，6为搅拌针，7为固定螺栓，8为静止轴肩，9为静止轴肩与待焊母材接触作用区，10为待焊母材，11为下面工装垫板，12为待焊母材U型坡口，13为静止轴肩后沿的强制成型槽。
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
以下用实施例结合附图对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3说明本实施方式，图1所示为为平板对接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图，在待焊母材上开一个U型坡口12，搅拌工具由旋转的搅拌针6和静止轴肩8组成，静止轴肩8固定于主轴基体5上，搅拌针6由与待焊母材10相同的材料组成，搅拌针端部加工成与U型坡口12截面尺寸略小的形状，焊接中，搅拌针6以速度ω高速旋转，同时在搅拌针6上施加轴向力并保持向下进给速度b，当搅拌针6与待焊母材10接触时，开始摩擦产热，摩擦的区域接触面上会发生塑性变形，塑性金属在压力的作用下，向四周转移而填充与待焊母材之间的空腔，同时搅拌工具沿焊缝方向不断前进，与待焊母材10之间保持相对焊接速度v，在搅拌工具前端对搅拌工具焊缝周围喷惰性气体进行保护。在搅拌工具静止轴肩8后沿设计圆角过渡的强制成型槽13，在搅拌工具静止轴肩8前沿设计与母材坡口形状相匹配的约束型腔，以约束流动的焊缝材料不能从轴肩前端冒出，在静止轴肩8与待焊母材接触作用区9的顶锻压力下，材料从强制成型槽出来，从而实现材料密切结合，形成焊缝。
图2为平板不等厚对接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图，在待焊母材上开一个U型坡口12，搅拌工具由旋转的搅拌针6和静止轴肩8组成，将静止轴肩8用固定螺栓7固定于主轴基体5上，搅拌针6由与待焊母材10相同的材料组成，搅拌针端部加工成与U型坡口12截面尺寸略小的形状，焊接中，搅拌针6以速度ω高速旋转，同时在搅拌针6上施加轴向力并保持向下进给速度b，当搅拌针6与待焊母材10接触时，开始摩擦产热，摩擦的区域接触面上会发生塑性变形，塑性金属在压力的作用下，向四周转移而填充与待焊母材之间的空腔和焊接坡口12，同时搅拌工具沿焊缝方向不断前进，与待焊母材10之间保持相对焊接速度v，在搅拌工具前端对搅拌工具焊缝周围喷惰性气体进行保护。为避免应力集中，在搅拌工具静止轴肩8后沿设计圆角过渡的强制成型槽13，以保证不等厚对接焊缝处拥有与强制成型槽13形状相同的圆滑过渡外轮廓，在搅拌工具静止轴肩8前沿设计与母材坡口形状相匹配的约束型腔，以约束流动的焊缝材料不能从轴肩前端冒出，在静止轴肩8与待焊母材接触作用区9的顶锻压力下，材料从强制成型槽出来，从而实现材料密切结合，形成焊缝。
图3为角接开坡口同轴填充材料静止轴肩搅拌摩擦焊示意图，为保证角焊缝焊透，推荐采用从背面施焊，首先，在待焊母材上开一个U型坡口12，搅拌工具由旋转的搅拌针6和静止轴肩8组成，静止轴肩8由固定螺栓7固定于主轴基体5上，搅拌针6由与待焊母材10相同的材料组成，搅拌针端部加工成与U型坡口12截面尺寸略小的形状，焊接中，搅拌针6以速度ω高速旋转，同时在搅拌针6上施加轴向力并保持向下进给速度b，当搅拌针6与待焊母材10接触时，开始摩擦产热，摩擦的区域接触面上会发生塑性变形，塑性金属在压力的作用下，向四周转移而填充与待焊母材10之间的空腔和焊接坡口12，同时搅拌工具沿焊缝方向不断前进，与待焊母材10之间保持相对焊接速度v，在搅拌工具前端对焊缝周围喷惰性气体进行保护。在搅拌工具静止轴肩8后沿设计圆角过渡的强制成型槽13，以保证角接焊缝处拥有与强制成型槽13形状相同的圆滑过渡外轮廓，在搅拌工具静止轴肩8前沿设计与母材坡口形状相匹配的约束型腔，以约束流动的焊缝材料不能从轴肩前端冒出，在静止轴肩8与待焊母材接触作用区9的顶锻压力下，材料从强制成型槽出来，从而实现材料密切结合，形成焊缝。
实施方式中待焊母材可以采用铝、铜、镁合金等有色金属以及铝基复合材料，也可以对异种材料实施焊接。
实施方式中可以通过设计不同形状的搅拌工具静止轴肩外形轮廓，并外部施加压缩空气以及水雾冷却的方法进行冷却。或者通过设计内部水冷搅拌工具进行冷却。
实施方式中可以适用于沿焊缝方向曲率保持恒定的对接、搭接、不等厚对接、角接、T型接头等不同接头形式进行焊接。
实施方式中焊接时应尽量设计尺寸小巧的主轴接口、搅拌工具结构避免与待焊母材发生干涉。
实施方式焊接角焊缝的适用角度范围为60°-300°
实施方式焊接时在焊接工具前端向焊缝处喷保护气体，如氩气、氦气。

Claims (8)

1.一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，待焊母材(10)上开设一个U型坡口(12)置于在搅拌工具下方；所述搅拌工具包括搅拌针(6)和静止轴肩(8)，所述静止轴肩(8)固定于主轴基体(5)上，所述搅拌针(6)端部截面小于所述U型坡口(12)截面；所述搅拌针(6)在高速旋转的同时被施加轴向力并保持向下进给，当所述搅拌针(6)在所述待焊母材(10)上高速旋转摩擦产热的同时所述搅拌工具沿焊缝方向前进；所述静止轴肩(8)后沿设置有圆角过渡的强制成型槽(13)，维持待焊母材(10)的角接焊缝处拥有与强制成型槽(13)形状相同的圆滑过渡外轮廓；在所述静止轴肩(8)的顶锻压力下，待焊母材(10)从强制成型槽(13)释放出来，在所述静止轴肩(8)前沿设置有与所述U型坡口(12)形状相匹配的约束型腔的约束下形成焊缝。
2.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，待焊母材(10)可采用铝、铜、镁合金或铝基复合材料。
3.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述搅拌针(6)与所述待焊母材(10)可为异种材料。
4.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在所述搅拌工具外部施加压缩空气和水雾冷却的方法进行冷却。
5.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在所述搅拌工具内部设置有水冷搅拌工具进行冷却。
6.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述角焊缝的角度范围为60°-300°。
7.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，在搅拌工具前端向焊缝处喷保护气体，所述保护气体可以是氩气或氦气。
8.根据权利要求1所述的开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于所述摩擦焊方法可对沿焊缝方向曲率保持恒定的不同接头形式进行焊接。
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