CN111331246A - 一种异种金属搅拌摩擦焊接的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙；步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留的缝隙中；步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机。本发明采用静止轴肩的方式进行焊接。静止轴肩可以为焊缝区提供较大的顶锻力，吸收过多的焊接热量从而细化晶粒，通过静止轴肩提供的额外顶锻力增加结构结合强度，从而提高焊接接头质量。

Description

一种异种金属搅拌摩擦焊接的方法及装置
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊领域，尤其涉及一种异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法及装置。
背景技术
众多汽车企业采用铝合金代替钢材实现汽车减重，从而实现节能减排。因而铝钢的焊接质量是影响铝钢结构的重要因素。在铝钢等异种材料搅拌摩擦对接焊过程中，由于两种材料热物理属性差异较大，使用传统的熔焊进行焊接时，易出现一侧烧穿的情况。搅拌摩擦焊作为一种先进的连接技术，具有焊接质量高，焊接应力小，绿色无污染等优点，广泛的应用于异种材料的连接。但是，针对铝钢、铝钛等物理化学性能差距较大的材料时，焊接接头中会出现较硬的材料颗粒团聚的问题并产生较大的焊接应力。同时，焊接过程中铝钢元素反应生成Fe2Al5和FeAl3等硬脆金属间化合物降低接头性能。目前，大部分发明都是避免异种材料相互接触从而减少硬脆相的产生，所以急需一种新型搅拌摩擦焊接的方法。
发明内容
本发明为了解决现有焊接性能差距较大材料时，焊接效果不佳的问题，进而提供一种异种金属搅拌摩擦焊接的方法。
本发明涉及一种异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙，当焊丝填充进预留的缝隙时，焊丝由静止轴肩进行定位和压紧；
步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留的缝隙中；
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机。
进一步地，步骤一中，所述待焊板材的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝0.1～1.5L。缝隙过小时填丝作用较小；缝隙过大时会产生沟槽等缺陷。
进一步地，步骤二中，静止轴肩内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝送到预留的缝隙处，并由静止轴肩底面将焊丝压入缝隙。
进一步地，步骤二中，焊丝外观为圆柱形，焊丝直径D＝1～1.3h；其中，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
进一步地，步骤二中，焊丝外观为矩形，焊丝的横截面的长宽分别与L和h相等；其中，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
进一步地，步骤二中，所述焊丝内具有抑制金属间化合物产生的成分，或优先于母材进行反应的成分。在铝钢对接时，可以选取Al-Si-Cu-Ni焊丝，Ni可以抑制金属间化合物产生。该焊丝产生NiAl(Fe)等金属架化合物，提高结构屈服强度等。在锌焊丝焊接铝镁合金时，锌优先于铝镁反应，生成Al5Mg11Zn4和MgZn等，抑制Mg17Al12生成。
进一步地，步骤三中，焊接参数为：搅拌头旋转速度100～5000rpm，焊接速度5～1000mm/min，下压量0～5mm，所述焊丝的送丝速度与焊速相同。
本发明有益效果：
1、本发明通过焊前预留缝隙避免了两种板材直接接触，同时采用焊丝将缝隙进行填充，避免因材料缺失而产生缺陷。焊丝加入的元素可以减缓两种材料的间发生反应，避免两种材料的金属间化合物的产生，减小焊接应力。两板材的焊前分离使得较硬的材料被打碎时不会直接进入对面板材侧，进而发生团聚现象，影响焊缝质量。被打碎的颗粒与焊丝材料反应并在搅拌工具的搅拌作用下弥散分布在焊缝内，增加焊缝强度。
2、本发明通过随焊填丝的方式，缓解两种金属之间的反应程度，避免硬脆相的产生，减少金属间化合物的产生，降低焊接应力。通过弹性送丝轮随焊送丝，避免焊丝预填充的步骤，简化了焊接过程，同时也避免焊丝在焊前预热而提前发生反应。
3、本发明采用静止轴肩的方式进行焊接。静止轴肩可以为焊缝区提供较大的顶锻力，吸收过多的焊接热量从而细化晶粒，通过静止轴肩提供的额外顶锻力增加结构结合强度，从而提高焊接接头质量。
本发明还涉及一种异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接的装置，通过所述装置实现随焊填丝来进行焊接。
所述装置包括送丝结构，其由送丝轮8、弹簧9、芯轴10和底座11组成，送丝轮8内部设有小型马达，为送丝轮转动提供旋转动力；两送丝轮8之间通过弹簧连接，以使送丝轮8之间产生压力，从而能够紧密的夹住丝材；弹簧套在芯轴10上并安装于底座11上使两者固定；丝材通过静止轴肩2上的预留孔洞伸进送丝机构，在弹簧弹力作用下使送丝8轮紧紧地夹住丝材并转动，驱动丝材向加工区填充；当丝材深入到加工区时，在静止轴肩2的顶锻作用下，将丝材压紧预留的沟槽中使得其填充沟槽。
附图说明
图1为本发明异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接装置示意图。
图2为本发明异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法示意图。
附图标记说明如下：
搅拌工具1、静止轴肩2、焊缝3、板材4、预留缝隙5、异种材料板材6、焊丝7、送丝轮8、弹簧9、芯轴10、底座11。
具体实施方式
本发明涉及一种异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材4装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材4之间预留填丝间隙，当焊丝77填充进预留缝隙5时，焊丝7由静止轴肩2进行定位和压紧，待焊板材4的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝0.1～1.5L。
步骤二、安装搅拌工具1静止轴肩2，根据所述待焊4的材质选用合适的焊丝7，焊丝7通过静止轴肩2内的送丝轮送到预留缝隙5中；板材4静止轴肩2内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝7送到预留缝隙5处，并由静止轴肩2底面将焊丝7压入缝隙。
当焊丝7外观为圆柱形时，焊丝7直径D＝1～1.3h；当焊丝7外观为矩形，焊丝7的横截面的长宽分别与L和h相等；其中，h为预留填丝间隙，L为板材4的厚度。
焊材内具有抑制金属间化合物产生的成分，或优先于母材进行反应的成分。
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；焊接参数为：搅拌头旋转速度100～5000rpm，焊接速度5～1000mm/min，下压量0～5mm，所述焊丝7的送丝速度与焊速相同。
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝7，然后停止送丝机构，最后停止焊机，避免丝材在焊缝区集中，影响焊接质量和焊缝美观。
实施例1
本实施例中的异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙，当焊丝填充进预留的缝隙时，焊丝由静止轴肩进行定位和压紧，待焊板材的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝0.1L。
步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留的缝隙中；静止轴肩内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝送到预留的缝隙处，并由静止轴肩底面将焊丝压入缝隙。
焊丝外观为圆柱形，焊丝直径D＝h，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；焊接参数为：搅拌头旋转速度100rpm，焊接速度5mm/min，下压量1mm，所述焊丝的送丝速度与焊速相同。
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机，避免丝材在焊缝区集中，影响焊接质量和焊缝美观。
实施例2
本实施例中的异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙，当焊丝填充进预留缝隙时，焊丝由静止轴肩进行定位和压紧，待焊板材的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝1.5L。
步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留的缝隙中；静止轴肩内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝送到预留的缝隙处，并由静止轴肩底面将焊丝压入缝隙。
焊丝外观为矩形，焊丝的横截面的长宽分别与L和h相等；其中，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；焊接参数为：搅拌头旋转速度5000rpm，焊接速度1000mm/min，下压量5mm，所述焊丝的送丝速度与焊速相同。
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机。
实施例3
本实施例中的异种金属对接填丝静止轴肩搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙，当焊丝填充进预留缝隙时，焊丝由静止轴肩进行定位和压紧，待焊板材的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝L。
步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留的缝隙中；静止轴肩内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝送到预留的缝隙处，并由静止轴肩底面将焊丝压入缝隙。
焊丝外观为圆柱形，焊丝直径D＝1.3h，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；焊接参数为：搅拌头旋转速度2000rpm，焊接速度500mm/min，下压量2mm，所述焊丝的送丝速度与焊速相同。
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机。
实施例4
如图1、图2所示，本实施例的装置中，包括送丝结构，其由送丝轮8、弹簧9、芯轴10和底座11组成，送丝轮8内部设有小型马达，为送丝轮转动提供旋转动力；两送丝轮8之间通过弹簧连接，以使送丝轮8之间产生压力，从而能够紧密的夹住丝材；弹簧套在芯轴10上并安装于底座11上使两者固定；丝材通过静止轴肩2上的预留孔洞伸进送丝机构，在弹簧弹力作用下使送丝8轮紧紧地夹住丝材并转动，驱动丝材向加工区填充；当丝材深入到加工区时，在静止轴肩2的顶锻作用下，将丝材压紧预留的沟槽中使得其填充沟槽。
上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、将待焊板材装夹于搅拌摩擦焊机的夹具上，两待焊板材之间预留填丝间隙，当焊丝填充进预留缝隙时，焊丝由静止轴肩进行定位和压紧；
步骤二、安装搅拌工具与静止轴肩，根据所述待焊板材的材质选用合适的焊丝，焊丝通过静止轴肩内的送丝轮送到预留缝隙中；
步骤三、设置焊接参数，然后同时启动焊机与送丝机构进行焊接；
步骤四、焊接完成时，送丝机构回抽拉断焊丝，然后停止送丝机构，最后停止焊机。
2.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤一中，所述待焊板材的厚度为L，预留填丝间隙为h，h＝0.1～1.5L。
3.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤二中，静止轴肩内安装有送丝机构，所述送丝机构在搅拌头到达前将焊丝送到预留的缝隙处，并由静止轴肩底面将焊丝压入缝隙。
4.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤二中，焊丝外观为圆柱形，焊丝直径D＝1～1.3h；其中，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
5.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤二中，焊丝外观为矩形，焊丝的横截面的长宽分别与L和h相等；其中，h为预留填丝间隙，L为板材的厚度。
6.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤二中，所述焊丝内含有抑制金属间化合物产生的成分，或优先于母材进行反应的成分。
7.根据权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于，步骤三中，焊接参数为：搅拌头旋转速度100～5000rpm，焊接速度5～1000mm/min，下压量0～5mm，所述焊丝的送丝速度与焊速相同。
8.一种权利要求1至7任一项所述的方法所使用的装置，其特征在于，所述装置包括送丝结构，其由送丝轮(8)、弹簧(9)、芯轴(10)和底座(11)组成，送丝轮(8)内部设有小型马达，为送丝轮转动提供旋转动力；两送丝轮(8之间通过弹簧连接，以使送丝轮(8)之间产生压力，从而能够紧密的夹住丝材；弹簧套在芯轴(10)上并安装于底座(11)上使两者固定；丝材通过静止轴肩(2)上的预留孔洞伸进送丝机构，在弹簧弹力作用下使送丝(8)轮紧紧地夹住丝材并转动，驱动丝材向加工区填充；当丝材深入到加工区时，在静止轴肩(2)的顶锻作用下，将丝材压紧预留的沟槽中使得其填充沟槽。
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