CN109986194A - 搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法，以解决焊缝表面残余应力过大的技术问题；其结构包括搅拌针和轴肩，轴肩设置有圆柱；圆柱与轴肩具有相同的轴线；搅拌针与圆柱的下端面以同轴线的方式固定连接。所述方法包括如下步骤：步骤1：将焊具与焊机的主轴同轴线紧固连接；并将被焊母材固定在焊接平台上；步骤2：启动焊机，焊机主轴旋转，从起焊点向被焊母材上表面移动并逐渐扎入被焊母材；待圆柱的下端面扎入被焊母材上表面，直至搅拌摩擦焊焊具的轴肩的下端面与被焊母材上表面相接触时，焊机主轴停止向下移动，并开始以平动的方式沿焊接轨迹行进。本发明能够大幅改进搅拌摩擦焊的焊接效果，无需外接辅助工具。

Description

搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是涉及一种搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种高质量的固相焊接方法。其基本原理是，高速旋转的焊具扎入被焊母材，直至焊具轴肩端面嵌入到母材上表面一定深度，而后焊具沿着焊接方向前进，对被焊母材施加摩擦热和锻压力，促使材料发生塑性流动并形成固态焊缝。焊具自身结构特点导致搅拌摩擦焊过程中热量输入上高下低且材料塑性变形上强下弱，不均匀的焊接热力作用导致焊缝中产生残余应力，这其中，尤以作为主要热源的焊具轴肩所形成的焊缝表面的残余应力最为显著。由于焊接中焊具轴肩端面需要对被焊母材表面嵌入一定深度，导致焊缝边缘往往就是应力集中位置，在疲劳载荷作用下，容易成为裂纹萌生开裂的薄弱区域。

一直以来，人们都试图采取各种措施来降低搅拌摩擦焊缝表面的应力水平，提高接头的服役性能。申请号为CN201620461245.9的发明专利公开了一种电磁振荡辅助搅拌摩擦焊装置，通过将电磁振动的能量导入到焊缝深层，达到减小焊缝残余应力的目的。申请号为CN205520064的专利提出了一种能够降低焊接应力的搅拌摩擦焊装置，将搅拌摩擦焊和脉冲电流结合起来，在焊后对零件直接进行脉冲电流处理，来消除焊缝残余应力。申请号为CN201010120295.8的专利开发了一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置，采用可跟随焊具移动的保温箱，对处于焊接后的焊缝及母材进行保温，随即进行随炉冷却，以此降低焊缝表面残余应力。申请号为CN200910072036.X的专利研发了一种随焊抛光多功能搅拌摩擦焊焊具，该焊具可清除焊缝两侧飞边、改善焊缝表面光洁度、细化焊缝表面晶粒并消除应力集中。申请号为CN103028838A的专利提出了一种电磁塑性搅拌摩擦焊方法，通过在焊接中对被焊材料施加辅助电流实现了降低变形工件残余应力的目的。

综合来看，现有方法大多采用较为复杂的焊接辅助装置，通过在焊接中或焊后对被焊工件施加额外的热能或机械能，来改善搅拌摩擦焊缝的应力状态。而这些方法普遍显示出成本高、流程繁琐的特点。

减弱焊具轴肩对被焊材料的热机作用是降低搅拌摩擦焊缝应力水平的有效措施。本发明从这个角度着手，以开发低成本、高效率、高质量的低应力搅拌摩擦焊接方法为导向目标，提出了一种采用阶梯式外凸轴肩焊具降低搅拌摩擦焊缝表面残余应力的方法。

因此，针对上述问题研发一款搅拌摩擦焊焊具及应用该焊具降低焊缝表面残余应力的焊接方法，以克服上述技术缺陷中的至少一种成为一种必需。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法，通过在轴肩面向搅拌针一侧的端面设置凸起的圆柱，以解决现有技术中搅拌摩擦焊焊具存在的，焊接后焊缝表面残余应力过大的技术问题。

一方面，本发明提供的搅拌摩擦焊焊具，包括搅拌针，还包括轴肩，所述轴肩用于面向所述搅拌针一侧的端面，设置有相对于所述轴肩端面凸起的圆柱；所述圆柱与所述轴肩具有相同的轴线；所述搅拌针与所述圆柱的下端面以同轴线的方式固定连接。

进一步地，所述轴肩面向所述搅拌针一侧未凸起的端面，内凹成圆台的侧面；所述圆台的母线与所述圆台的底面所成线面角范围为0.5°至10°。

进一步地，所述圆柱外凸端面的边缘设置有半径范围为0.1至0.5mm的圆角。

进一步地，所述圆柱外凸的端面上设置有螺旋槽。

进一步地，所述圆柱相对于所述轴肩端面凸起的高度范围为0.05-0.5mm。

进一步地，所述轴肩横截面的外圆直径为被焊母材厚度的3-4.5倍；所述圆柱横截面的外圆直径为被焊母材厚度的2-3倍；所述轴肩横截面的外圆直径与所述圆柱横截面的外圆直径间的差值大于等于1mm。

进一步地，所述搅拌针的外表面设置有锥状螺纹。

进一步地，所述搅拌针的长度比被焊母材的厚度小0至0.3mm。

另一方面，本发明还提供一种降低焊缝表面残余应力的焊接方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将如前所述的搅拌摩擦焊焊具与焊机的主轴同轴线紧固连接；并利用平台固定工具将被焊母材固定在焊接平台上；

步骤2：启动焊机，焊机主轴旋转，从起焊点向被焊母材上表面移动并逐渐扎入被焊母材；待搅拌摩擦焊焊具的圆柱的下端面扎入被焊母材上表面，直至搅拌摩擦焊焊具的轴肩的下端面与被焊母材上表面相接触时，焊机主轴停止向下移动，并开始以平动的方式沿焊接轨迹行进。

进一步地，所述主轴的转速为200-2000r/min；焊具平动的速度为50-1000mm/min；所述焊具的轴线与焊接平动方向间的夹角为90°。

进一步地，被焊母材的厚度为2-15mm。

进一步地，被焊母材的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

本发明提供的搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法与现有技术相比具有以下进步：

1、无需任何额外的焊接辅助装置，以及任何的焊前焊后处理过程，一次性即可达到降低搅拌摩擦焊缝应力水平的技术目的；

2、轴肩端面设置凸起的圆柱后，原轴肩端面在焊接时可对形成的搅拌摩擦焊缝两侧锐边施加碾压刮擦作用，从而缓解焊缝边缘的应力集中，达到降低焊缝表面应力水平的目的。

3、轴肩端面凸起设置的圆柱在焊接时能够嵌入被焊工件表面，对被焊材料施加充分的锻压力和摩擦热作用，促使材料发生热塑性流动，原轴肩端面对圆柱外凸端面搅拌材料时施加流动约束作用和锻压强化作用，抑制塑性流动材料从轴肩底部向外溢出，消除焊接飞边，更好的保障焊缝的优质成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中搅拌摩擦焊焊具的结构示意图(剖视图)；

图2为本发明实施例2中搅拌摩擦焊焊具的结构示意图(剖视图)；

图3为本发明实施例3中搅拌摩擦焊焊具的结构示意图(剖视图)；

图4为图3中搅拌摩擦焊焊具的仰视图；

图5为本发明实验例中搅拌摩擦焊焊具的结构及工作参数标识位置示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1所示，本发明提供一种搅拌摩擦焊焊具，包括搅拌针100，还包括轴肩200，所述轴肩200面向所述搅拌针100一侧的端面设置有相对于所述轴肩端面M凸起的圆柱210；所述圆柱210与所述轴肩200具有相同的轴线；所述搅拌针100与所述所述圆柱210的下端面以同轴线的方式固定连接。

优选地，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述搅拌针与所述圆柱相连接的部位设置有圆角。圆角的设置能够减缓搅拌针与所述圆柱相连接部位的应力集中，延长搅拌摩擦焊焊具的使用寿命。

优选地，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述搅拌针的外表面设置有锥状螺纹。依现有技术为上述搅拌针设置锥状螺纹能够获得更佳的焊接效果，致使焊接过程中能够更好地破坏接头表面的氧化膜，促使焊缝金属充分流动，进而提高接头的力学性能。

采用上述搅拌摩擦焊焊具焊接的方法具体包括如下步骤：

步骤1：将如前所述的搅拌摩擦焊焊具与焊机的主轴同轴线紧固连接；并利用平台固定工具将被焊母材固定在焊接平台上；

步骤2：启动焊机，焊机主轴旋转，从起焊点向被焊母材上表面移动并逐渐扎入被焊母材；待搅拌摩擦焊焊具的圆柱的下端面扎入被焊母材上表面，直至搅拌摩擦焊焊具的轴肩的下端面与被焊母材上表面相接触时，焊机主轴停止向下移动，并开始以平动的方式沿焊接轨迹行进。

优选地，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述主轴的转速为200-2000r/min；焊具平动的速度为50-1000mm/min；所述焊具的轴线与焊接平动方向间的夹角为90°。

优选地，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述轴肩横截面的外圆直径为被焊母材厚度的3-4.5倍；所述圆柱横截面的外圆直径为被焊母材厚度的2-3倍；所述轴肩横截面的外圆直径与所述圆柱横截面的外圆直径间的差值大于等于1mm。

优选地，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述搅拌针的长度比被焊母材的厚度小0至0.3mm。

焊接中，圆柱210嵌入被焊母材上表面搅拌被焊材料，而轴肩端面M仅与被焊母材上表面相接触而不嵌入，并对所形成的搅拌摩擦焊缝两侧锐边施加碾压刮擦作用，达到缓解焊缝边缘应力集中、降低焊缝表面应力水平的目的。本发明具有成本低、效率高的优点；此外，上述搅拌摩擦焊焊具在用于焊接铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金时，若焊接母材的厚度为2-15mm，能够取得极佳的削弱焊缝表面应力的技术效果。

需要说明的是，本实施例中搅拌针与轴肩间的连接关系可以为一体式结构，亦可依现有技术制成可拆分的分体式结构，上述两种不同的结构形式均是本申请所要求保护的。

实施例二：

如图2所示，本实施例中，所述轴肩200面向所述搅拌针100一侧未凸起的端面M，内凹成圆台的侧面；所述圆台的母线与所述圆台的底面所成线面角A的范围为0.5°至10°。采用上述结构后，可以获得相比实施例1中所公开的技术方案更进一步缓解焊缝边缘的应力集中，且降低焊缝表面应力水平的技术效果。

优选地，如图2所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述圆柱外凸端面的边缘设置有半径范围为0.1至0.5mm的圆角R。

需要说明的是，上述局部结构改进是在实施例一基础上的改进，实施例一中公开的技术内容不重复描述，实施例一公开的内容也属于本实施例公开的内容。改进后的搅拌摩擦焊焊具在削弱焊缝表面应力方面能够取得优于实施例1的更进一步的技术效果。

实施例三：

如图3和图4所示，本实施例中，所述圆柱外凸的端面上设置有螺旋槽L。需要说明的是，上述螺旋槽L的结构设置基于现有技术，其作用效果与现有技术中设置在轴肩面向搅拌针一侧的端面上的螺旋槽并无差异。

优选地，如图3所示，在本实施例的其中一个优选技术方案中，所述圆柱相对于所述轴肩端面凸起的高度D范围为0.05-0.5mm。

为更进一步证明本申请上述实施例所能带来的相比现有技术更进一步的技术效果，本申请提供实验对比例如下：

实验例一：

本实验例选择的新研发的搅拌摩擦焊焊具，其轴肩面向所述搅拌针一侧未凸起的端面内凹成光滑的圆台的侧面，所述圆台的母线与所述圆台的底面所成线面角A为3°；轴肩横截面直径D1为26mm；所述圆柱外凸端面的边缘设置有半径0.2mm的圆角(相关位置参见图2，图5中未示出)；所述圆柱直径D2为22mm；所述圆柱外凸的端面上设置有螺旋槽L；所述圆柱相对于所述轴肩端面凸起的高度为0.2mm(相关位置参见图3，图5中未示出)；所述搅拌针为长度7.8mm的锥状螺纹搅拌针；轴肩和搅拌针合体或分体制成(图5中图示的结构为合体结构)。

作为焊接效果对比的常规焊具，其轴肩为平面带螺旋槽结构，并在其端面边缘设置有半径0.2mm的圆角，轴肩外圆直径为22mm；焊具的锥状螺纹搅拌针长度为7.8mm；焊具轴肩和搅拌针分体制成。

被焊母材T为8mm厚度的7N01铝合金，采用本发明所述搅拌摩擦焊焊具和对比焊具分别进行搅拌摩擦焊接试验，焊接中采用如下相同的动作参数：焊具转速V1为600r/min，焊速V2为100mm/min，焊具轴线方向与焊接速度方向的夹角B为90°。在上述对比试验中，焊具轴肩端面扎入被焊母材表面的距离均分别为0.2mm。焊后采用X射线衍射方法测量焊缝表面的残余应力，结果表明，采用本发明所述搅拌摩擦焊焊具及焊接方法，所得焊缝表面的残余应力最大值为35MPa；而在相同焊接参数下，常规焊接方法所得焊缝表面残余应力最大值为60MPa。可见，本发明可有效降低焊缝表面的残余应力水平，达到了预期的效果。

实验例二：

为了更进一步说明本发明的技术优势，本申请在另一组焊具结构参数及焊接参数下进行了对比试验。如图5所示，本发明所述搅拌摩擦焊焊具的轴肩面向所述搅拌针一侧未凸起的端面内凹成光滑的圆台的侧面，所述圆台的母线与所述圆台的底面所成线面角A为5°；轴肩横截面直径D1为22mm；所述圆柱直径D2为18mm；所述圆柱外凸的端面上设置有螺旋槽L；所述圆柱相对于所述轴肩端面凸起的高度为0.2mm(相关位置参见图3，图5中未示出)；所述圆柱外凸端面的边缘设置有半径0.3mm的圆角(相关位置参见图2，图5中未示出)；所述搅拌针100为长度5.85mm的锥状螺纹搅拌针；轴肩和搅拌针合体或分体制成(图5中图示的结构为合体结构)。

作为焊接效果对比的常规焊具，其轴肩为平面带螺旋槽结构，并在其端面边缘设置有半径0.5mm的圆角，轴肩外圆直径为18mm；焊具的锥状螺纹搅拌针长度为5.85mm；焊具轴肩和搅拌针分体制成。

被焊母材T为6mm厚度的6061铝合金，采用本发明所述搅拌摩擦焊焊具和对比焊具分别进行搅拌摩擦焊接试验，焊接中采用如下相同的动作参数：焊具转速V1为800r/min，焊速V2为200mm/min，焊具轴线方向与焊接速度方向的夹角B为90°。在上述对比试验中，焊具轴肩端面扎入被焊母材表面的距离均分别为0.3mm。焊后采用X射线衍射方法测量焊缝表面的残余应力，结果表明，采用本发明所述搅拌摩擦焊焊具及焊接方法，所得焊缝表面的残余应力最大值为29MPa；而在相同焊接参数下，常规焊接方法所得焊缝表面残余应力最大值为52MPa。本实施例进一步证明本发明可有效降低焊缝表面的残余应力水平。

发明提供的搅拌摩擦焊焊具及降低焊缝表面残余应力的焊接方法与现有技术相比具有以下进步：

1、无需任何额外的焊接辅助装置，以及任何的焊前焊后处理过程，一次性即可达到降低搅拌摩擦焊缝应力水平的技术目的；

2、轴肩端面设置凸起的圆柱后，原轴肩端面在焊接时可对形成的搅拌摩擦焊缝两侧锐边施加碾压刮擦作用，从而缓解焊缝边缘的应力集中，达到降低焊缝表面应力水平的目的。

3、轴肩端面凸起设置的圆柱在焊接时能够嵌入被焊工件表面，对被焊材料施加充分的锻压力和摩擦热作用，促使材料发生热塑性流动，原轴肩端面对圆柱外凸端面搅拌材料时施加流动约束作用和锻压强化作用，抑制塑性流动材料从轴肩底部向外溢出，消除焊接飞边，更好的保障焊缝的优质成形。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊焊具，包括搅拌针，其特征在于，还包括轴肩，所述轴肩面向所述搅拌针一侧的端面，设置有相对于所述轴肩端面凸起的圆柱；所述圆柱与所述轴肩具有相同的轴线；所述搅拌针与所述圆柱的下端面以同轴线的方式固定连接。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴肩面向所述搅拌针一侧未凸起的端面，内凹成圆台的侧面；所述圆台的母线与所述圆台的底面所成线面角范围为0.50至100。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述圆柱外凸端面的边缘设置有半径范围为0.1至0.5mm的圆角。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述圆柱外凸的端面上设置有螺旋槽。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述圆柱相对于所述轴肩端面凸起的高度范围为0.05-0.5mm。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴肩横截面的外圆直径为被焊母材厚度的3-4.5倍；所述圆柱横截面的外圆直径为被焊母材厚度的2-3倍；所述轴肩横截面的外圆直径与所述圆柱横截面的外圆直径间的差值大于等于1mm。

7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌针的外表面设置有锥状螺纹。

8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌针的长度比被焊母材的厚度小0至0.3mm。

9.一种降低焊缝表面残余应力的焊接方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将权利要求1至8项中任一项所述的搅拌摩擦焊焊具与焊机的主轴同轴线紧固连接；并利用平台固定工具将被焊母材固定在焊接平台上；

步骤2：启动焊机，焊机主轴旋转，从起焊点向被焊母材上表面移动并逐渐扎入被焊母材；待搅拌摩擦焊焊具的圆柱的下端面扎入被焊母材上表面，直至搅拌摩擦焊焊具的轴肩的下端面与被焊母材上表面相接触时，焊机主轴停止向下移动，并开始以平动的方式沿焊接轨迹行进。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述主轴的转速为200-2000r/min；焊具平动的速度为50-1000mm/min；所述焊具的轴线与焊接平动方向间的夹角为90°。