CN110449725B - 一种提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置及其方法，本发明先采用较短的搅拌针对两块叠加母材实施预焊接，该过程中第一搅拌头的搅拌针不会穿透上部母材，但能对夹放于两块母材之间的填充材料施加间接热机作用，从而增强填充材料与母材之间的机械结合力并减小叠放母材之间的接触间隙；而后采用较长的搅拌针扎入上、下母材，并实施焊接，促进填充材料在母材中的充分填充，实现颗粒增强复合材料的制备。本发明能够解决焊接中填充材料难以定位、粉末状填充材料在母材中填充率较低的问题，可应用于复合材料的高效率、高质量搅拌摩擦焊接制备的工作中。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体涉及一种能够提高搅拌摩擦焊缝中粉状材料填充率的方法。
背景技术
搅拌摩擦焊通过搅拌头对被焊材料施加的热机作用获得固态焊缝成形，可以有效避免熔化焊中常见的气孔、裂纹等缺陷，能够获得变形小、力学性能优异的金属材料焊接接头。搅拌摩擦焊不仅是一种焊接方法，同时也是一种重要的复合材料制备和材料强化方法。一般的步骤是：在两块或多块的叠加板状母材之间放置粉状材料，利用搅拌头的机械搅拌作用及热作用促进粉状材料在板状母材中的流动、扩散，最终使其均匀填充至母材中。粉状材料填充至母材之后，作为颗粒增强相，可对母材基体组织起到强化作用，从而能够提高原母材的力学性能。
搅拌摩擦焊的一个显著特点就是焊接中搅拌头会对被焊材料同时施加剧烈的摩擦和剪切力作用，因此，在采用搅拌摩擦焊方法实现粉状材料填入金属材料的过程中，如何对粉状材料实施有效的定位是决定其填充效果的关键问题。如果放置于金属板材之间的粉状材料不能得到牢固定位，就有可能在搅拌头经过该位置时，在焊接力及母材塑性流动的扰动下偏离原位置，从而无法充分参与到焊缝的形成过程，即导致粉状材料的填充率降低。不仅如此，粉状材料的移位，还会增大搭接板状母材之间的间距，导致搅拌头产生的热量不能充分传入到焊缝底部，极易在焊缝底部引起焊接缺陷。
为了解决粉状材料施加过程中面临的上述问题，相继出现的解决方法主要有：
通过激光热或电弧热将粉状材料熔覆到被焊母材表面可以防止粉状材料移动，但电弧和激光较高的热作用会使得一些熔点较低的粉状材料产生损失，并且对工件表面的组织性能产生影响。专利号为CN108385101A的发明专利申请公布了一种借助于喷涂处理的工艺，将粉状材料喷涂到待焊接位置，然后再进行搅拌摩擦焊接，这种方法虽然可以达到固定粉状材料的目的，但喷涂工艺效率较低，且成本较高。专利号为CN108396163A的发明专利在下部母材上开槽，然后将粉状材料铺覆在槽中，通过这种结构的设计来限制粉状材料的流动，但这种方法并未从本质上在焊前增强粉状材料与母材之间的结合紧密度。
发明内容
针对当前搅拌摩擦焊制备复合材料中的粉末状材料定位方法所面临的成本高、效率低、定位效果不够理想等问题，本发明提供了一种低成本、高效率、高质量的提高搅拌摩擦焊缝粉末状材料填充率的方法。实现上述目的的技术方案如下：
一种提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，包括焊接装置，所述焊接装置上安装搅拌头，所述搅拌头用于钻孔、焊接；所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩下端面中间；所述搅拌头包括第一搅拌头、第二搅拌头；所述焊接装置用于焊接待焊母材，所述待焊母材包括至少两块，所述母材分别为上母材、下母材，上母材与下母材之间设置有粉末状的填充材料；
所述第一搅拌头用于预焊接，所述第一搅拌头能够插入上母材内，所述第一搅拌头的轴肩插入上母材0.05-0.5mm深度，所述第一搅拌头的搅拌针底面与上母材的下底面之间间隔有距离，插入完成后，所述第一搅拌头沿着预焊轨迹进行预焊接；焊接过程中，所述第一搅拌头产生的焊接锻压力和温度使母材与填充材料之间发生初步相互扩散，同时填充材料与母材压合在一起，形成初步定型；
所述第二搅拌头用于终焊，所述第二搅拌头能够插入上母材和下母材内，所述第二搅拌头的轴肩插入上母材0.05-0.5mm深度，插入完成后，所述第二搅拌头沿着预焊轨迹再次进行焊接，焊接过程中，所述填充材料向焊缝中进行填充。
本发明提高了粉末状材料在搅拌摩擦焊缝中的填充率，焊接质量好。
附图说明
图1为第一搅拌头示意图；
图2为第二搅拌头示意图；
图3为预焊接示意图；
图4为预焊接完成示意图；
图5为终焊示意图；
图6为终焊完成示意图：
图7为搅拌针角度示意图；
附图序号说明：第一搅拌头1、第一搅拌头轴肩11、第一搅拌头搅拌针12、第二搅拌头2、第二搅拌头轴肩21、第二搅拌头搅拌针22、第一搅拌头轴肩直径D1、第一搅拌头搅拌针长度H1、第二搅拌头轴肩直径D2、第二搅拌头搅拌针长度H2、上母材厚度H3、下母材厚度H4、填充材料31、上母材32、下母材33；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
图中，提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置包括焊接装置，焊接装置可以是焊机，所述焊接装置的焊接主轴上安装搅拌头，搅拌头具有实现钻孔、去除多余余量、焊接的多重功能。
本发明中，所述搅拌头包括第一搅拌头1、第二搅拌头2；两个搅拌头进行不同的焊接工序，因此两个搅拌头的尺寸有所区别。
下面具体的描述搅拌头的结构：所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩下端面中间，搅拌针具体的负责钻孔和焊接；所述轴肩为圆柱结构，轴肩用于与焊接装置的主轴连接，同时轴肩还能起到产生摩擦热和提供锻压力的作用。为了方便搅拌针扎入物体内，所述搅拌针为一圆台结构，所述圆台的下底面与轴肩连接，锥状结构扎入物体内时，能够减小物体的抵抗力度。
优选圆台母线与垂线之间的夹角a在10-30度之间，夹角的设置不仅方便钻孔，同时利于钻孔时产生的碎屑排出，以及焊接中为焊缝材料发生充分的塑性流动提供驱动力，有利于焊接温度保持稳定，优选夹角在10、15度时，所述碎屑方便排出，同时焊缝材料塑性流动空间充足。
当然第一搅拌头和第二搅拌头的搅拌针的角度也可以不一样，第二搅拌头的搅拌针的角度可以比第一搅拌头的搅拌针的角度略大3～5度左右，以便于终焊时被焊材料能够发生更为充分的塑性流动。例如第一搅拌头的搅拌针角度为15度，那么第二搅拌头的搅拌针的角度为18～20度。
本发明中，需要将两块母材上下的焊接在一起，所述母材分别为上母材32、下母材33，上母材32与下母材33之间铺设有粉末状的填充材料31，焊前填充材料的初始铺覆厚度为0.05-2mm，初始铺覆的粉末状填充材料处于一种自然状态；第一搅拌头1实现预焊接，预焊接需要第一搅拌头1插入或者扎入上母材32内，当第一搅拌头1的轴肩11插入或者扎入上母材32表面0.05-0.5mm深度时，停止第一搅拌头1的下扎工作，还需要注意的是，第一搅拌头1的搅拌针12底面必须与上母材32的底面之间具有0.05-0.3mm的距离，因此第一搅拌头1的搅拌针12高度H1小于上母材H3的厚度；下扎深度达到后，第一搅拌头1沿着预先设计好的预焊轨迹行进，完成预焊接。所述预焊轨迹可以是直线、曲线或者其它形式。
预焊接过程中，第一搅拌头1的搅拌针12尚未穿过上母材32下底面，意即预焊轨迹行进过程中搅拌针12没有接触填充材料31，因此不会引起粉末状填充材料31的移位，但焊接锻压力能提升两块母材与粉末状填充材料31之间的结合紧密度，同时焊接热作用使得两块母材与粉末状填充材料之间发生初步的互相扩散，从而增强填充材料与母材之间的机械结合力，并减小了叠放母材之间的接触间隙，使母材之间的填充材料初步定型。因此不会产生现有技术中填充材料不容易定型、随意流散的缺陷。
第二搅拌头2用于终焊，且其需要同时扎入两块母材，所述第二搅拌头2的轴肩21插入或者扎入上母材0.05-0.5mm深度，插入或者扎入完成后，所述第二搅拌头2沿着预焊轨迹再次进行焊接，焊接过程中产生的热力综合作用使初步定型的填充材料填入焊缝中，从而实现粉末状填充材料向焊缝中的充分填充，实现了高质量颗粒增强复合材料的制备。
第二搅拌头2的轴肩21需要没入上母材32内一定深度，并且第二搅拌头2的搅拌针21也需要扎入第二母材33一定的深度，因此第二搅拌头2的搅拌针21长度H2小于或等于上、下两块母材的厚度之和(H3+H4)，但要大于上母材H3的厚度。
例如上母材32的待焊接区域厚度尺寸H3为1-25mm，下母材33的待焊接区域厚度尺寸H4为5-25mm。第一搅拌头1的搅拌针11长度为0-20mm，第二搅拌头2的搅拌针21长度为1-40mm。两种搅拌头的轴肩直径是其对应搅拌针长度的2-4倍，且第二搅拌头2的轴肩直径D2不小于第一搅拌头的轴肩直径D1。其中，轴肩的直径为搅拌针长度的2-4倍是因为上述比例可以保证轴肩产生充分的焊接摩擦热并对焊缝施加充分的锻压成形作用，有利于获得高质量的搅拌摩擦焊缝。
下面详细描述实现焊接的过程：
(1)焊前准备：将待焊母材32和33叠放于垫板之上，且在两块母材之间均匀铺设粉末状填充材料31，将叠放好的两块母材32和33牢固的装夹在焊机工作台上，避免其在焊接中发生移动，然后将第一搅拌头1安装在焊机主轴上，并移动第一搅拌头1使其到达起焊位置。
(2)第一搅拌头预焊：启动焊机，第一搅拌头1开始旋转并逐渐扎入上母材32内，直至第一搅拌头1的轴肩11下端面嵌入上母材32表面0.05-0.5mm深度，此时第一搅拌针1的头部尚未穿过上母材32下底面，而后第一搅拌头1沿焊接轨迹行进，完成预焊接过程。该过程中第一搅拌头1的搅拌针12没有接触粉状材料31，不会引起粉末状填充材料31的移位，但焊接锻压力能提升两块母材32和33与粉末状填充材料31之间的结合紧密度，同时焊接热作用又可促进粉末状填充材料31与两块母材32和33的之间的初步相互扩散。
(3)终焊，即第二搅拌头焊接：待第一搅拌头1焊接完成后，更换第二搅拌头2，并使第二搅拌头2旋转扎入上母材32，直至第二搅拌头2的轴肩21下端面嵌入上母材上表面0.05-0.5mm深度，此时第二搅拌头2的搅拌针22已扎入下母材33一定深度，而后第二搅拌头2沿预焊轨迹前进，完成第二道次的焊接，并实现粉末状填充材料31向两块母材32和33的充分填充。
粉末状填充材料31为AL2O3、TiC等单一化合物粉末或它们的混合物，也可以为石墨烯、碳纳米管等非金属材料粉末及其混合物。
焊接过程中，第一搅拌头1和第二搅拌头2的转速为50-5000r/min，焊速为5-1000mm/min，第二搅拌头2的焊接参数可以与第一搅拌头1的相同也可以不同。
本发明的有益效果是：
第一，本发明解决了粉末状填充材料难以定位、焊缝填充率不高的问题，与以往方法相比，具有流程简单、效率高、可靠性好等优点；
第二，与其它通过热作用使粉状填充材料在工件表面熔覆的过程不同，本发明搅拌头较低的热作用降低了热量对结构件的影响并抑制了低熔点粉状填充材料的挥发，不仅最大限度的保留了粉状填充颗粒，还有助于获得高性能的复合材料。
第三，由于提高了粉状填充材料在搅拌摩擦焊缝中的填充率，所以对于提高所制备复合材料的综合性能具有重要作用。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
Claims (6)
1.一种提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，包括焊接装置，所述焊接装置上安装搅拌头，所述搅拌头用于钻孔、焊接；所述搅拌头包括轴肩、搅拌针，所述搅拌针位于轴肩下端面中间；所述搅拌头包括第一搅拌头、第二搅拌头；所述焊接装置用于焊接待焊母材，其特征在于：所述待焊母材至少为两块，所述母材分别为上母材、下母材，上母材与下母材之间设置有粉末状的填充材料；
所述第一搅拌头用于预焊接，所述第一搅拌头能够插入或扎入上母材内，所述第一搅拌头的轴肩插入上母材0.05-0.5mm深度，所述第一搅拌头的搅拌针底面与上母材的下底面之间间隔有距离，插入完成后，所述第一搅拌头沿着预焊轨迹进行预焊接；焊接过程中，所述第一搅拌头产生的焊接锻压力和温度使母材与填充材料之间发生初步相互扩散，同时填充材料与母材压合在一起，形成初步定型；
所述第二搅拌头用于终焊，所述第二搅拌头能够插入上母材和下母材内，所述第二搅拌头的轴肩插入或扎入上母材0.05-0.5mm深度，插入完成后，所述第二搅拌头沿着预焊轨迹再次进行焊接，焊接过程中，所述填充材料向焊缝中进行填充；
所述搅拌针为一圆台结构，所述圆台的下底面与轴肩连接；
所述轴肩为圆柱结构，所述轴肩直径为搅拌针长度的2-4倍；
圆台的母线与垂线之间的夹角在10到30度之间；
所述第一搅拌头和所述第二搅拌头的搅拌针的角度不同。
2.根据权利要求1所述的提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，其特征在于：所述第二搅拌头的搅拌针的高度小于两块母材的厚度之和，大于上母材的厚度。
3.根据权利要求1所述的提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，其特征在于：所述粉末状的填充材料为金属粉末材料、非金属粉末材料中的任意一种；或金属粉末材料、非金属粉末材料的混合物。
4.根据权利要求3所述的提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，其特征在于：所述金属粉末材料为Al2O3、TiC中的任意一种或Al2O3、TiC的混合物；
所述非金属粉末材料为石墨烯、碳纳米管中的任意一种或石墨烯、碳纳米管的混合物。
5.根据权利要求1所述的提高搅拌摩擦焊缝填充率的装置，其特征在于：焊前填充材料最开始均匀铺设时需要达到的厚度为0.05-2mm。
6.一种提高搅拌摩擦焊缝填充率的方法，其特征在于：
(1)首先至少准备两块母材，在两块母材之间均匀铺设粉末状的填充材料，两块母材分别是上母材、下母材，之后将铺设好填充材料的两块母材装夹固定在焊接装置的工作台上；
(2)将第一搅拌头安装在焊接装置的主轴上，主轴带动第一搅拌头到达起焊位置；
(3)第一搅拌头预焊接：启动焊接装置，第一搅拌头旋转并逐渐扎入上母材内，直至第一搅拌头的轴肩下端面嵌入上母材内0.05-0.5mm深度，并且第一搅拌头的搅拌针底面与上母材的下底面之间间隔有距离；下扎位置到达后、第一搅拌头沿着预焊轨迹行进，完成预焊接；预焊接过程中所述母材与填充材料发生初步相互扩散，同时叠放母材之间的接触间隙减小，由此实现母材与填充材料的初步定型；
(4)终焊：预焊接完成后，使用第二搅拌头替换第一搅拌头，所述第二搅拌头旋转扎入上母材和下母材内，直至第二搅拌头的轴肩下端面嵌入上母材内0.05-0.5mm深度，之后第二搅拌头停止继续扎入的动作，并且沿着步骤(3)中的预焊轨迹前进，完成终焊过程；沿着预焊轨迹前进实施焊接时，初步定型的填充材料填入焊缝中；
所述搅拌针为一圆台结构，所述圆台的下底面与轴肩连接；
所述轴肩为圆柱结构，所述轴肩直径为搅拌针长度的2-4倍；
圆台的母线与垂线之间的夹角在10到30度之间；
所述第一搅拌头和所述第二搅拌头的搅拌针的角度不同。
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