CN110681979A - 一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，包括：(1)将待焊工件以对接形式放置在焊接平台上，并将所述工件夹紧固定；(2)调节双轴肩搅拌摩擦焊头的搅拌针对准所述工件的对接处，然后调节超声工具头与所述下轴肩处于同轴位置，并使所述超声工具头与所述下轴肩在焊接过程中处于压紧状态；(3)先启动双轴肩搅拌摩擦焊头，随后启动超声波发生器，当所述搅拌针与所述超声工具头处于稳定耦合状态时，使二者相对于所述工件同步移动，形成搅拌摩擦焊焊缝，实现焊接。本发明方法通过采用在双轴肩搅拌摩擦焊头下轴肩底部施加同轴超声波振动的方式，提高超声能量的利用率，保证焊接接头质量。

Description

一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)属于一种固相连接方法，相比于常规熔焊方法，能够获得较高质量的焊接接头，尤其适用于铝合金和镁合金等结构制造领域。该方法自1991年由英国焊接研究所发明以来，已经在轨道交通、航空航天，船舶制造等领域得到了广泛应用。但是在传统搅拌摩擦焊接过程中往往施加较大的压力，因此工件背部通常需要有刚性支撑，而这将带来装卡困难、工装夹具成本过高等问题。此时，双轴肩搅拌摩擦焊接技术作为一种新型的搅拌摩擦焊接方法应运而生。双轴肩搅拌摩擦焊采用具有上、下轴肩的搅拌头，两个轴肩通过与被焊结构厚度相当的搅拌针连接，焊接过程中上下轴肩与搅拌针共同旋转并与被焊材料相互作用实现连接。然而，双轴肩搅拌摩擦焊也存在着一些问题：由于有上下两个轴肩同时作用，焊接过程中热输入较大，导致焊缝热影响区扩大，降低了接头强度；焊接过程中搅拌针承受较大的扭矩，对搅拌头的强度及耐磨性提出了更高要求等。
研究表明，当超声波振动作用于材料变形过程中，能够在无显著加热的情况下降低材料的屈服应力和流变应力，因此，为了加强搅拌区塑性材料的软化程度，降低焊接过程中搅拌头所受的阻力，有人提出在搅拌摩擦焊接过程中施加超声波振动，以改善焊接环境，从而提高焊接速度和质量，以及提高搅拌头的寿命。专利《CN1836820A》将搅拌针与超声换能器和超声变幅杆集成为一体式搅拌摩擦焊头，焊接过程中作轴向超声振动的搅拌针直接作用于材料焊接区，但在该方法中，焊接时搅拌针承受的较大的下压力将严重阻碍超声振动，降低了超声能量的利用率，并且一体式搅拌头结构复杂，将导致制造和维护成本提高。专利《CN108637467A》提出了一种将超声振动横向施加于搅拌头的方法，该方法同样实现了通过搅拌头将超声能施加于材料中，但是这种将超声横向施加方式依旧存在超声振动能量损失过大的问题，也存在超声头与高速旋转的搅拌头之间的复杂耦合问题。专利《CN102744516A》提出了一种在搅拌头前方工件待焊区施加超声振动的方法，该方法在工件上表面施加超声能量，超声能量传递到焊缝根部时会发生衰减，无法有效提高焊缝根部焊接质量。
总之，现有的施加超声能量的方式主要分为两类，一类是将超声能量作用于待焊工件上，一类是将超声能量施加于常规单轴肩搅拌摩擦焊头上。为此，本方案创新性地提出了一种将超声能量施加在双轴肩搅拌摩擦焊头上。该方案利用超声的软化作用不仅能降低双轴肩搅拌摩擦焊过程中的摩擦热输入，同时能降低焊接过程中搅拌针受到的阻力，最终提高焊接接头的质量和搅拌摩擦焊头的寿命。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决现有技术中双轴肩搅拌摩擦焊接热输入较高，焊缝热影响区较大而影响接头强度问题；以及焊接中搅拌针承受工件较大的阻力而降低搅拌头使用寿命等问题，本发明提供了一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，该方法通过采用在双轴肩搅拌摩擦焊头下轴肩底部施加同轴超声波振动的方式，提高超声能量的利用率。超声能量可以通过下轴肩及搅拌针传递至搅拌针周围的塑性变形区，降低材料的屈服强度以及增加材料的塑性流动性，从而解决低速下未焊合及孔洞等焊接缺陷，进而降低焊接热输入，保证焊接接头质量，同时延长搅拌头的使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，在双轴肩搅拌摩擦焊头底部施加同轴超声波振动，将超声能量通过双轴肩搅拌摩擦焊头的下轴肩及搅拌针传递至所述搅拌针周围的塑性变形区，具体包括如下步骤：
(1)将待焊工件以对接形式放置在焊接平台上，并将所述工件夹紧固定；
(2)调节双轴肩搅拌摩擦焊头的搅拌针对准所述工件的对接处，然后调节超声工具头与所述下轴肩处于同轴位置，并使所述超声工具头与所述下轴肩在焊接过程中处于压紧状态；
(3)先启动双轴肩搅拌摩擦焊头，随后启动超声波发生器，当所述搅拌针与所述超声工具头处于稳定耦合状态时，使二者相对于所述工件同步移动，形成搅拌摩擦焊焊缝，实现焊接。
优选地，所述搅拌针的材质为工具钢或硬质合金。
优选地，所述双轴肩搅拌摩擦焊头包括上轴肩、搅拌针和下轴肩，所述搅拌针的两端分别与所述上轴肩和所述下轴肩通过螺纹连接。
优选地，所述搅拌针的搅拌部分为光滑圆柱、带平面圆柱或带螺纹圆柱。
优选地，所述下轴肩与所述搅拌针的连接一侧为螺纹盲孔。
优选地，所述下轴肩的底部为内凹球面，所述超声工具头与下轴肩连接的端部为外凸球面，且所述内凹球面和所述外凸球面的半径相等。
步骤(2)中对所述超声工具头施加向上0.1MPa～1MPa的压力，使其与所述下轴肩处于压紧状态。
优选地，所述超声工具头的振动频率为15kHz～30kHz，振动幅度为10μm～100μm；所述搅拌针的转速为400rpm～4000rpm；所述焊接的速度为20mm/min～400mm/min。
优选地，所述下轴肩与所述超声工具头的连接处涂有高温耐磨润滑剂。本发明的有益效果：
(1)针对现有技术中双轴肩搅拌摩擦焊接热输入较高，焊缝热影响区较大而影响接头强度问题，以及焊接中搅拌针承受工件较大的阻力而降低搅拌头使用寿命等问题，本发明通过采用在双轴肩搅拌摩擦焊头下轴肩底部施加同轴超声波振动的方式，提高超声能量的利用率。超声能量可以通过下轴肩及搅拌针传递至搅拌针周围的塑性变形区，降低材料的屈服强度以及增加材料的塑性流动性，从而达到了解决低速下未焊合及孔洞等焊接缺陷问题，进而降低焊接热输入，保证焊接接头质量，同时延长搅拌头使用寿命的目的。
(2)本发明的双轴肩搅拌摩擦焊头，待焊工件被夹于两轴肩之间，不需要另外支撑工件在搅拌摩擦时所带来的较大的向下的压力，避免了超声工具头为支撑工件而承受很大的焊接压力而阻碍超声振动，提高了超声能量的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例1中超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接示意图；
图2为本发明实施例1中双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头示意图；
图3为本发明实施例1中超声工具头示意图。
图中，1-工件；2-上轴肩；3-搅拌针；4-下轴肩；5-超声工具头；41-内凹球面；51-外凸球面。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细的说明，但并不限于此。
实施例1
结合图1，一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
(1)将待焊工件1以对接形式放置在焊接平台上，并用工装夹具将二者夹紧固定，保证二者在焊接过程中不发生错动。
(2)调节双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的搅拌针3的位置，使其对准所述工件1的对接处，然后调节双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的下轴肩4底部的超声工具头5的位置，使所述超声工具头5与所述下轴肩4处于同轴位置，并对所述超声工具头5施加向上较小的压力(0.1MPa～1MPa)，使所述超声工具头5与所述下轴肩4在焊接过程中处于压紧状态。
(3)先启动双轴肩搅拌摩擦焊头，使所述搅拌针3处于高速旋转状态，随后启动超声波发生器，使所述超声工具头5产生超声波振动，当所述搅拌针3与所述超声工具头5处于稳定耦合状态时，使二者相对于工件1同步移动，在搅拌针3的高速旋转及超声波振动作用下形成搅拌摩擦焊焊缝组织，实现焊接。
其中，超声振动频率为15kHz～30kHz；超声振幅为10μm～100μm；搅拌头转速为400rpm～4000rpm；焊接速度为20mm/min～400mm/min。
结合图2～3，所述双轴肩搅拌摩擦焊头包括上轴肩2、搅拌针3和下轴肩4，所述搅拌针3的两端分别与所述上轴肩2和所述下轴肩4通过螺纹连接；所述搅拌针3的搅拌部分为光滑圆柱、带平面圆柱或带螺纹圆柱；所述下轴肩4与所述搅拌针3的连接一侧为螺纹盲孔；所述下轴肩4的底部为内凹球面41，所述超声工具头5与下轴肩4连接的端部为外凸球面51，且所述内凹球面41和所述外凸球面51的半径相等；所述下轴肩4与所述超声工具头5的连接处涂有高温耐磨润滑剂。
本发明通过采用在双轴肩搅拌摩擦焊头的下轴肩底部施加同轴超声波振动的方式，一方面将超声能量通过下轴肩及搅拌针传递至搅拌针周围的塑性变形区，提高超声能量的利用率；另一方面利用超声能量对金属材料的软化作用，增加材料的塑性流动性，进而降低焊接热输入，改善焊接工艺和焊接接头质量，同时延长搅拌头的使用寿命。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，在双轴肩搅拌摩擦焊头底部施加同轴超声波振动，将超声能量通过双轴肩搅拌摩擦焊头的下轴肩(4)及搅拌针(3)传递至所述搅拌针(3)周围的塑性变形区，具体包括如下步骤：
(1)将待焊工件(1)以对接形式放置在焊接平台上，并将所述工件(1)夹紧固定；
(2)调节双轴肩搅拌摩擦焊头的搅拌针(3)对准所述工件(1)的对接处，然后调节超声工具头(5)与所述下轴肩(4)处于同轴位置，并使所述超声工具头(5)与所述下轴肩(4)在焊接过程中处于压紧状态；
(3)先启动双轴肩搅拌摩擦焊头，随后启动超声波发生器，当所述搅拌针(3)与所述超声工具头(5)处于稳定耦合状态时，使二者相对于所述工件(1)同步移动，形成搅拌摩擦焊焊缝，实现焊接。
2.根据权利要求1所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述双轴肩搅拌摩擦焊头包括上轴肩(2)、搅拌针(3)和下轴肩(4)，所述搅拌针(3)的两端分别与所述上轴肩(2)和所述下轴肩(4)通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌针(3)的材质为工具钢或硬质合金。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌针(3)的搅拌部分为光滑圆柱、带平面圆柱或带螺纹圆柱。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述下轴肩(4)与所述搅拌针(3)的连接一侧为螺纹盲孔。
6.根据权利要求1～3任一项所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述下轴肩(4)的底部为内凹球面(41)，所述超声工具头(5)与下轴肩(4)连接的端部为外凸球面(51)，且所述内凹球面(41)和所述外凸球面(51)的半径相等。
7.根据权利要求1所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述下轴肩(4)与所述超声工具头(5)的连接处涂有高温耐磨润滑剂。
8.根据权利要求1所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，步骤(2)中对所述超声工具头(5)施加向上0.1MPa～1MPa的压力，使其与所述下轴肩(4)处于压紧状态。
9.根据权利要求1所述的一种超声同轴辅助双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述超声工具头(5)的振动频率为15kHz～30kHz，振动幅度为10μm～100μm；所述搅拌针(3)的转速为400rpm～4000rpm；所述焊接的速度为20mm/min～400mm/min。
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