CN110977142B - 一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于镁‑铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置，包括机架、从下往上依次安装在所述机架上的工作台、摩擦焊接机构和冲击机构；所述冲击机构位于所述摩擦焊接机构的上方，用于为搅拌摩擦焊提供冲击力；所述摩擦焊接机构包括外花键轴、套接在所述外花键轴外的带内花键带轮，所述外花键轴的底部连接有搅拌针固定盘，搅拌针固定盘的底部固定有搅拌针，用于对被焊件进行搅拌摩擦焊；被焊接件固定在所述工作台上，工作台通过丝杠螺母副实现在X、Y、Z三个方向的位置调整。本发明在一定预压下的搅拌摩擦焊接基础上，通过轻量化的冲击加载装置，实现复合一定频率的冲击加载、增加摩擦效应，实现铝、镁合金的质量良好的异质连接。

Description

一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本发明属于摩擦焊的技术领域，尤其涉及一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性能，其密度低、比强度高、热导率高、电导率高，耐蚀能力强，广泛地应用于机械、电力，化工、轻工、航空、航天、铁道、舰船、车辆等工业内的焊接结构产品上。镁是比铝还轻的一种有色金属，常以合金形式使用，镁合金具有较高的比强度和比刚度，并具有高的抗振能力，能承受比铝合金大的冲击载荷，此外还具有优良的切削加工性能，并易于铸造和锻压，所以在航天、航空、光学仪器、无线电技术等工业部门获得较多应用。要注意的是，实现镁和铝的可靠连接可以充分发挥各自的优良性能，降低结构重量，节约材料，进一步扩大应用领域。

铝在空气中及焊接时极易氧化，妨碍焊接及钎焊过程的进行，在焊接或钎焊接头内生成气孔、夹杂、未熔合、未焊透等缺陷；铝的比热容、电导率、热导率较大，焊接热输入将向母材迅速流失；铝的线膨胀系数较大，焊接时焊件的变形趋势较大。

镁及镁合金焊接时所出现的问题与铝有些类似，只是镁比铝更易氧化，易形成氧化镁，在熔池中易形成细小片状的固态夹渣，镁还容易和空气中的氮化合生成镁的氮化物，使接头性能变坏；镁的熔点低、导热快，焊接要用大功率热源，所以焊缝及近缝区金属易产生过热和晶粒长大；镁及镁合金热膨胀数较大，在焊接过程中易引起较大的焊接应力变形和焊接裂纹；镁易与一些合金元素形成低熔点共晶体，所以脆性温度区间较宽，易形成热裂纹。铝、镁合金的焊接性较差，使得镁和铝的焊接比较困难，实现两种金属间的异种材料的连接更是制约他们在生产制造中应用的技术瓶颈。

国内外的研究者基于搅拌摩擦焊方法，研究了不同旋转速度、不同尺寸的搅拌头、微动碎屑、工件经离子体微弧氧化处理、前进和后退侧对铝合金和镁合金异种材料连接焊缝质量的影响，结果表明:采用搅拌摩擦焊方法能够获得质量良好的焊缝。近年来科研人员先后开发了多种FSW复合技术，如以感应热、电阻热、电弧、激光和等离子弧等作为辅助热源的复合搅拌摩擦焊接技术。

国内外的研究表明：在铝合金-镁合金异种材料工件的连接上，搅拌摩擦焊的方法具有较优良的效果。值得一提的是，复合技术往往针对高熔点材料的焊接，以提高焊接效率和接头性能为目的，复合过程中将辅助热源加在搅拌头前方，搅拌摩擦焊设备依然保持着原来笨重而复杂的结构，并且由于辅助热源的加入而更加复杂。

现有技术中一般采用图1所示的装置系统，通过超声波发生器将50Hz的工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头将超声波传导入搅拌针周围的待焊接区域。再用定位卡具将振动单元和搅拌摩擦焊机固定，使其在焊接过程中随着搅拌头沿着待焊接缝向前滑动，从而实现超声辅助搅拌摩擦焊工艺过程。超声波的振动频率为20～100KHz，振幅为10～100μm。超声振动加载在工件的表面，形成的塑性变形层不超过1mm，难以实现整个变形区域塑性流动的调控，不能保证厚度方向的整体塑性流变，使得局部受热处的温度场更加的复杂。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置，保持了良好连接的质量，又实现了加载装置的轻型化。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置，包括机架、从下往上依次安装在所述机架上的工作台、摩擦焊接机构和冲击机构；

所述冲击机构位于所述摩擦焊接机构的上方，用于为搅拌摩擦焊提供冲击力；

所述摩擦焊接机构包括外花键轴、套接在所述外花键轴外的带内花键带轮，所述外花键轴的底部连接有搅拌针固定盘，所述搅拌针固定盘的底部固定有搅拌针，用于对被焊件进行搅拌摩擦焊；

被焊接件固定在所述工作台上，工作台通过丝杠螺母副实现在X、Y、Z三个方向的位置调整。

进一步的，所述冲击机构包括由电机驱动进行旋转并水平设置的转动轴，安装在所述转动轴上并随转动轴旋转的偏心轮、套装在所述偏心轮上的套圈滑块，所述偏心轮外安装有双列圆柱滚子轴承，所述套圈滑块的套圈部分安装在所述双列圆柱滚子轴承外，所述套圈滑块的滑块部分在导套作用下实现往复移动，所述套圈滑块的底部连接有推杆，用于将向下冲击力作用在所述外花键轴上。

进一步的，所述带内花键带轮的顶部固定有供所述推杆进入的辅助底座，所述辅助底座的内部设有压缩在所述外花键轴上的压缩弹簧，该压缩弹簧的顶部顶在辅助盘的下方，所述辅助盘的顶部顶在所述辅助底座的开口处；外花键轴处于自然状态时，在压缩状态的弹簧作用下，外花键轴与带内花键带轮上的辅助盘可靠接触，以使搅拌摩擦焊开始时，搅拌针能够进入被焊件一定距离。

可选的，所述工作台上在X、Y方向的移动通过伺服电机驱动丝杠，实现连续或间歇进给；所述工作台上在Z向由丝杠螺母副调整到工作位置后，通过多个辅助支撑螺钉将工作台可靠支撑在机架的底座上。

进一步的，所述摩擦焊接机构的输入功率公式为：

式中：R₁为搅拌针的轴肩半径；R₃为搅拌针端部半径；r为搅拌针插入最大半径；α为搅拌针椎角；ω为角速度；μ为摩擦系数；P为加载压力。

由上，本发明通过偏心轮、轴承及套圈滑块机构实现对搅拌针的冲击作用；通过带轮上安装辅助盘及升降工作台实现冲击搅拌摩擦焊搅拌针与被焊接件的预压；通过带内花键带轮、外花键轴机构，实现搅拌摩擦焊搅拌针的旋转；采用搅拌针固定盘，实现搅拌针的快速更换并保护较难加工的外花键轴。在一定预压下的搅拌摩擦焊接基础上，通过轻量化的冲击加载装置，实现复合一定频率的冲击加载、增加摩擦效应，实现铝、镁合金的质量良好的异质连接。

另外，为了实现压力加载装置的轻量化，以及热量过程脉冲式调控的目的，加载装置的轻量化的实现理论基础为依靠动量与冲量的相互转化，加强加压载荷的作用，提升作用在工件上的搅拌摩擦效应；更为了较精确的控制搅拌摩擦焊的热量输入，基于类脉冲调控的方式，在一定基础压力上的往复地冲击作用，实现由连续的搅拌摩擦过程向间隔可调的往复作用过程转变。另外，由于搅拌针及其轴肩的作用，可实现工件整体厚度的热量调控。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中的超声振动辅助搅拌摩擦焊装置的结构示意图；

图2为本发明优选实施例的用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置的结构示意图；

图3为不同冲击加载次数下的宏观焊缝形貌；其中(a)为5次/S，(b)为2次/S；

图4为冲击加载(5次/S)下的焊核区和热机影响区两个不同区域间的微观金相组织图；其中(a)为放大100倍(100X)，(b)为放大500倍(500X)；

图5为冲击加载(2次/S)下的焊核区和热机影响区两个不同区域间的微观金相组织图；其中(a)为放大100倍(100X)，(b)为放大500倍(500X)；

图6为接头硬度分布图。

图中，1-机架；2-支撑螺钉；3-X向调整丝杠螺母副；4-Y向调整丝杠螺母副；5-Z向调整丝杠螺母副；6-工作台；7-搅拌针固定盘；8-搅拌针；9-外花键轴；10-带内花键带轮；11-弹簧；12-辅助盘；13-推杆；14-导套；15-套圈滑块；16-偏心轮；17-双列圆柱滚子轴承。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图2所示，本发明的用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置主要由冲击机构、摩擦焊接机构和工作台组成。冲击机构由电机通过带轮、水平转动轴带动偏心轮16旋转，偏心轮16外安装双列圆柱滚子轴承17、套圈滑块15，套圈滑块15的套圈部分安装在双列圆柱滚子轴承17外，其滑块部分在导套14作用下实现往复移动，通过推杆13为摩擦焊提供冲击力。

本发明的摩擦焊接机构由搅拌针固定盘7、外花键轴9、带内花键带轮10及支撑轴承等组成。带内花键带轮10通过推力轴承、圆柱滚子轴承支撑在机架1上。搅拌针固定盘7与外花键轴9的底部连接，电机通过带传动驱动带内花键带轮10旋转，带内花键带轮10带动外花键轴9与搅拌针固定盘7旋转。带内花键带轮10的顶部固定有供所述推杆13进入的辅助底座，所述辅助底座的内部设有压缩在所述外花键轴9上的压缩弹簧11，该压缩弹簧11的顶部顶在辅助盘12的下方，所述辅助盘12的顶部顶在所述辅助底座的开口处。外花键轴9处于自然状态时，在压缩状态的弹簧11作用下，外花键轴9与带内花键带轮10上安装的辅助盘12可靠接触，以保证在冲击搅拌摩擦焊开始时，搅拌针8能够进入被焊件一定距离。当推杆13在偏心轮16运动作用下向下冲击，作用在外花键轴9上，为外花键轴9、搅拌针固定盘7及搅拌针8提供巨大的冲击力。

工作台通过丝杠螺母副能够实现X、Y、Z三向位置调整，并且X、Y向通过伺服电机驱动丝杠，实现连续或间歇进给，Z向由丝杠螺母副调整到工作位置后，4个辅助支撑螺钉2将工作台6可靠支撑在机架的底座上。被焊接件固定在工作台6上，通过工作台6的进给运动，实现连续焊接。

基于搅拌摩擦焊输入功率的控制公式(如式1所示)，即当其他参数不变时，调控外界加载数值，能够控制焊接过程的热输入量。而外界加载数值由预设的一定数值，通过冲击搅拌摩擦焊的新方法实现了类脉冲的冲击加载。

式中：R₁为搅拌针的轴肩半径；R₃为搅拌针端部半径；r为搅拌针插入最大半径；α为搅拌针椎角；ω为角速度；μ为摩擦系数；P为加载压力。

具体实施例：实验材料选择厚度均为3mm的6061铝合金和AZ91镁合金板材，6061铝合金薄板尺寸为300×700mm，AZ91镁合金薄板尺寸为300×700mm。采用图2所示的实验装置实现不同转速下的对接接头焊接。在工作台上通过螺栓夹紧的方式实现铝、镁合金板件的固定，板件之间不留间隙。采用圆锥等螺纹搅拌针，螺纹宽度为1mm，螺纹槽宽度为1.5mm，长度为板厚加0.5mm，搅拌针的直径为5mm，材料选用W18Cr4V工具钢，硬度为62～65HRC。将搅拌针8放入搅拌针固定盘7中，用螺栓固定夹紧，搅拌针固定盘7的直径为15mm，形状设计为内凹面轴肩结构设计。启动电机，通过带内花键带轮10带动外花键轴9的旋转，继而带动搅拌针固定盘7及搅拌针8按照900r/min的速度进行旋转。通过Z向调整丝杠螺母副5和支撑螺钉2实现搅拌针8和搅拌针固定盘7的下压，直至将搅拌针8压入欲连接的铝、镁板件内，并实现一定的预压。通过系统中的冲击结构部分，由推杆13实现一定频率的冲击过程，通过推杆13与外花键轴9的加载实现了一定频率下的冲击与旋转摩擦的复合运动。冲击频率可通过调整提供冲击动力的调速电机实现，其速率在2～8Hz范围变化。通过Y向调整丝杠螺母副4实现工件的移动，移动速度120mm/min，待焊至结束处，停止移动。停止推杆13对外花键轴9的加载，通过Z向调整丝杠螺母副5及支撑螺钉2下降被焊接件，直至脱离搅拌针8，停止工作。

通过改变搅拌头及轴肩冲击次数，研究铝镁异种金属的连接接头质量的变化。工件外观如图3所示。由图3知：冲击次数为2次/S时，焊缝成形良好达到焊接基本要求，存在少量飞边、起皮，无背部粘连情况；冲击次数为5次/S时焊缝成型良好，但飞边和起皮现象有所增加。

图4、图5为不同冲击加载次数下的焊核区和热机影响区两个不同区域间的微观金相组织。在5次/S冲击加载次数下，焊核区和热机影响区形成了冶金结合；在2次/S冲击加载次数下，未能形成有效的冶金结合，这是由于热量输入的影响。实验结果表明：冲击搅拌摩擦焊接能够实现铝合金和镁合金板件间的连接；通过调整冲击加载的次数，能够有效地调控热输入量的大小，从而实现焊接过程精确化调整。

形成有效连接的接头硬度如图6所示。硬度测试中实验加载为5Kg，加载时间为10S。由图6可知：由于铝镁异种金属连接接头的各部分金属材料所经历的热过程以及变形量的不同，导致焊核区，热机影响区，热影响区和母材各区域的硬度呈现不同的分布特征。焊核区组织经历了焊接过程较高温度的焊接热循环，并在搅拌针作用下发生了剧烈的塑性变形，所以该区域组织晶粒细小，微观硬度在一个较高的水平。热影响区受到热循环作用而出现了软化区，硬度较低，但由于加工过程的特点导致软化区域较窄。热机影响区既受到热循环的作用又受到搅拌头的搅拌作用，部分动态再结晶，因此硬度介于两者之间，距焊核较远处的母材保持原有硬度。

本发明在一定预压力下的搅拌摩擦焊接前提下，通过调整冲击加载的次数，形成周期往复式的加载过程，通过冲量与动量的相互转化，提升摩擦效应，促进待焊处金属的塑性流变，同时可以精确调控摩擦生热的热量输入。本发明的冲击搅拌摩擦焊接装置既保持了良好连接的质量，又实现了加载装置的轻型化。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括机架（1）、从下往上依次安装在所述机架（1）上的工作台（6）、摩擦焊接机构和冲击机构；

所述冲击机构位于所述摩擦焊接机构的上方，用于为搅拌摩擦焊提供冲击力；

所述摩擦焊接机构包括外花键轴（9）、套接在所述外花键轴（9）外的带内花键带轮（10），所述外花键轴（9）的底部连接有搅拌针固定盘（7），所述搅拌针固定盘（7）的底部固定有搅拌针（8），用于对被焊件进行搅拌摩擦焊；

被焊接件固定在所述工作台（6）上，工作台（6）通过丝杠螺母副实现在X、Y、Z三个方向的位置调整；

所述冲击机构包括由电机驱动进行旋转并水平设置的转动轴，安装在所述转动轴上并随转动轴旋转的偏心轮（16）、套装在所述偏心轮（16）上的套圈滑块（15），所述偏心轮（16）外安装有双列圆柱滚子轴承（17），所述套圈滑块（15）的套圈部分安装在所述双列圆柱滚子轴承（17）外，所述套圈滑块（15）的滑块部分在导套（14）作用下实现往复移动，所述套圈滑块（15）的底部连接有推杆（13），用于将向下冲击力作用在所述外花键轴（9）上；

所述带内花键带轮（10）的顶部固定有供所述推杆（13）进入的辅助底座，所述辅助底座的内部设有压缩在所述外花键轴（9）上的压缩弹簧（11），该压缩弹簧（11）的顶部顶在辅助盘（12）的下方，所述辅助盘（12）的顶部顶在所述辅助底座的开口处；外花键轴（9）处于自然状态时，在压缩状态的压缩弹簧（11）作用下，外花键轴（9）与带内花键带轮（10）上的辅助盘（12）可靠接触，以使搅拌摩擦焊开始时，搅拌针（8）能够进入被焊件一定距离；

所述工作台（6）上在X、Y方向的移动通过伺服电机驱动丝杠，实现连续或间歇进给；所述工作台（6）上在Z向由丝杠螺母副调整到工作位置后，通过多个辅助支撑螺钉（2）将工作台（6）可靠支撑在机架（1）的底座上；

所述摩擦焊接机构的输入功率公式为：

式中：R₁为搅拌针的轴肩半径；R₃为搅拌针端部半径；r为搅拌针插入最大半径；α为搅拌针椎角；ω为角速度；μ为摩擦系数；P为加载压力。

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