CN111421225B - 一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置及其加工方法，包括工作台、搅拌摩擦焊机构，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦对接焊装置还包括激光加热机构，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头和气体保护机构，所述气体保护机构包括保护气罩。本发明通过在常规搅拌摩擦对接焊的基础上引入二个激光热源，降低钛镍两者硬度并使其软化后硬度相当，使待焊异种材料同步达到软化，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向下压力，搅拌针径向受力及受力不均匀问题。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊设备技术领域，具体涉及一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置及其加工方法。
背景技术
搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁金等低熔点、高性能的金属材料焊接中，有效避免了传统焊接技术在焊接此类材料时容易产生气孔、裂纹等缺陷的问题，提高了焊缝质量，减小了焊接变形，节省了焊接材料。随着搅拌摩擦焊技术的发展和推广，铁基合金、钛合金、镍基合金等高熔点金属的搅拌摩擦焊技术受到越来越多的重视，但传统搅拌摩擦焊技术的不足也逐渐暴露出来。其主要的缺点如下：
1)搅拌头的磨损。搅拌摩擦焊开始时，焊接物处于低温状态，搅拌头会严重磨损甚至发生折断。
2)焊接速度提高难度大。在焊接高熔点、高硬度金属时，搅拌头转速提升到较高水平后，为了达到要求的焊接温度，焊接速度通常处于较低水平。这使得在焊接高熔点、高硬度金属时受到了很大的限制。
3)焊接载荷高。在焊接高熔点、高硬度金属时，为了保证达到足够的热量以保证材料有良好的粘塑性，搅拌头需要提供更高的转速和施加更高的轴向下压力，这对设备和装夹提出了很高的要求。
为了克服上述缺点和不足，研究人员在焊接工艺参数和搅拌头结构上进行了优化和改进，但效果都不是很令人满意。近年来的研究表明，采用激光、电流、电弧、感应、超声波等外加能量辅助搅拌摩擦焊是克服上述缺点和不足的有效方法。如专利CN 107199394 A公开了一种搅拌头供电辅助复合式双轴搅拌摩擦焊接方法，采用搅拌摩擦头作为电阻热源的电极，通过直流开关电源给待焊工件内部提供高密度电流，给高速旋转的搅拌头进行搅拌摩擦焊接过程中提供电阻辅助热源。专利CN 103846563 A公开了一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置，激光束通过焊接工具的中空内腔对搅拌针进行加热，搅拌针通过吸收激光束光能瞬时转化为热能并传导至焊接物进行焊接，该方法能够解决传统搅拌摩擦焊接时搅拌头产热不足问题。
在航空航天、核工业、交通运输、能源行业及轻工装备业等领域，为了充分发挥不同金属材料的优异性能、降低制造成本以及满足不同工况的需求，异种金属材料结构得到越来越多的应用。异种金属材料一般在熔点、硬度、力学性能和化学活泼性等方面差异较大，所以使用传统熔焊难以获得良好的焊接接头，搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术在该领域获得了很好的使用效果。对于低熔点与高熔点金属搅拌摩擦焊，通常在高熔点金属侧外加能量辅助搅拌摩擦焊。如为解决铝钢异种材料对接时由于钢的硬度较高而导致的搅拌针磨损严重，焊接缺陷多，连接强度低而引起的接头失效的问题，专利CN 105033475A公开了一种用于铝钢材料对接的钢侧高频感应加热搅拌摩擦焊方法。
对于双侧都是高熔点、高硬度的异种金属搅拌摩擦焊，由于两种材料同时要加热软化，但由于材料性能的差异，要求的软化条件有一定差异，因此采用单侧加热或双侧相同条件加热都不能取得满意的效果。如钛合金与镍基合金异种金属材料的搅拌摩擦焊。钛是一种重要的结构金属，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性。由于钛的化学活泼性较强，随着温度的升高，对氢、氧、氮的吸收能力不断加强。钛在大气中，于250℃开始吸氢，400℃开始吸氧，600℃开始吸氮。氧、氮在钛中能形成间隙固溶体，使钛的晶格发生严重扭曲，使其强度、硬度提高，塑性、断裂韧性降低，并使其热稳定性、蠕变抗力、缺口敏感性等性能降低。氢的存在会产生氢化物(TiH2)沉淀相，也同样使其塑性、韧性降低，所以钛的搅拌摩擦焊必须在保护气氛下进行。镍基合金是指在650-1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要性能又细分为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。钛合金与镍基合金异种金属材料结构在航空、航天、化工、石油、电力等领域都有广泛的应用前景。因此，开发和设计一种能够用于钛镍异种材料的外加能量辅助搅拌摩擦焊装置及其加工方法，具有重要的经济、社会和现实意义。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置及其加工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，该装置还包括激光加热机构，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头和气体保护机构，所述搅拌头用于对待焊接工件的对接界面处进行焊接，所述气体保护机构包括保护气罩，所述保护气罩的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩的顶端设置有进气管，所述进气管与外部的供气设备连接，所述保护气罩的顶端设置有若干通孔；
所述激光输出机构的输出端分别穿设于通孔中，且所述激光输出机构输出端输出激光光斑照射于待焊接工件的对接界面区域，所述激光输出机构输出的激光光斑位于搅拌头焊接方向的前部。
通过采用上述技术方案，通过在常规搅拌摩擦对接焊的基础上引入二个激光热源，即在搅拌头沿焊接方向前部待焊钛合金和镍基合金异种材料工件侧分别增加一个激光加热热源，利用两束高能量密度的聚焦激光，快速加热同时软化钛合金和镍基合金异种材料待焊区域，通过分别控制激光输出功率、光斑的尺寸及作用中心，降低钛镍两者硬度并使其软化后硬度相当，使待焊异种材料同步达到软化，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向下压力，搅拌针径向受力及受力不均匀问题，同时有利于搅拌摩擦焊接过程中待焊钛镍异种材料的相互流动与融合，并可以减小搅拌头与焊接物之间的磨损，该方法具有大大增加搅拌头寿命，在同等搅拌头转速下可显著提高焊接速度，从而提高焊接效率。
作为本发明的进一步优化方案，所述工作台表面设置有隔热板。
通过采用上述技术方案,可减小焊接物厚度方向的温度梯度，使焊接物底部也具有足够的软化效果，从而增加底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使底部钛镍异种材料也能充分混合，减少底部各种焊接缺陷，提高焊缝质量。
作为本发明的进一步优化方案，所述保护气罩表面的一个通孔用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头，所述搅拌头贯穿该通孔，使搅拌头设置于保护气罩的内部，所述保护气罩的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合。
通过采用上述技术方案,保持焊接过程中的密闭性，且可以使待焊接合金板与保护气罩之间可相对滑动，便于搅拌摩擦焊设备对合金板进行焊接操作。
作为本发明的进一步优化方案，所述激光输出机构的光斑作用中心与搅拌头在待焊接工件表面的作用中心之间的距离为18-40mm。
一种如上述任一所述的用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：在工作台上依次放置隔热板、待焊接钛合金板和镍基合金板，并将其固定在工作台上，使搅拌头位于待焊接工件的对接界面正上端，且激光输出机构的输出端分别对应照射于对接界面的两侧区域，调节搅拌头与激光输出机构之间的距离，并最终固定搅拌摩擦焊设备和激光输出机构；
步骤S2：通过保护气罩上的进气管输入纯度为99.9-99.99％、流量为2-30L·min-1的氩气作为保护气体，同时启动激光输出机构，分别对待焊接工件的对接界面两侧进行预热软化；
步骤S3：启动搅拌摩擦焊设备，在轴向下压力作用下搅拌头旋转，并使搅拌头沿待焊接工件的对接界面进行相对进给运动，完成搅拌摩擦对接焊操作，使待焊接工件焊接一体。
作为本发明的进一步优化方案，所述待焊接工件包括钛合金板和镍基合金板，所述钛合金板置于搅拌头旋转方向后退侧，镍基合金板置于搅拌头旋转方向前进侧，钛合金板和镍基合金板厚度均为2-15mm。
作为本发明的进一步优化方案，所述激光输出机构输出的激光束分别照射于对接界面两侧区域，且该激光束照射到待焊接工件表面的光斑一侧与对接界面相切，另一侧与搅拌头轴肩作用于待焊接工件表面后形成的相对运动外轮廓线相切，所述进气管指向钛合金板区域。
作为本发明的进一步优化方案，所述搅拌头中心偏向钛合金板的偏移距离为0-5mm。
作为本发明的进一步优化方案，作用于钛合金板区域的激光输出机构的输出功率为500-6000W，激光照射到钛合金板表面的光斑直径为8-20mm，作用于镍基合金板区域的的激光输出机构的输出功率为400-5500W，激光照射到镍基合金板表面的光斑直径为5-15mm。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤S3中搅拌头受到的轴向下压力F＝3000-18000N，搅拌头旋转方向为顺时针，转速n＝300-1000r·min-1，焊接速度为v＝10-50mm·min-1。
本发明的有益效果在于：
1)本发明通过在常规搅拌摩擦对接焊的基础上引入二个激光热源，即在搅拌头沿焊接方向前部待焊钛合金和镍基合金异种材料工件侧分别增加一个激光加热热源，利用两束高能量密度的聚焦激光，快速加热同时软化钛合金和镍基合金异种材料待焊区域，通过分别控制激光输出功率、光斑的尺寸及作用中心，降低钛镍两者硬度并使其软化后硬度相当，使待焊异种材料同步达到软化，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向下压力，搅拌针径向受力及受力不均匀问题，同时有利于搅拌摩擦焊接过程中待焊钛镍异种材料的相互流动与融合，并可以减小搅拌头与焊接物之间的磨损，该方法具有大大增加搅拌头寿命，在同等搅拌头转速下可显著提高焊接速度，从而提高焊接效率；
2)本发明通过设置保护气罩，与通常的开放式吹气保护相比，既提高了保护效果，进一步减小高活性钛搅拌摩擦焊接过程中吸氢、吸氧、吸氮问题，同时可减少保护气体的消耗量；
3)本发明通过在焊接钛镍异种材料底部放置隔热板，可减小焊接物厚度方向的温度梯度，使焊接物底部也具有足够的软化效果，从而增加底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使底部钛镍异种材料也能充分混合，减少底部各种焊接缺陷，提高焊缝质量；
4)与电弧、感应等外加能量相比，采用激光辅助搅拌摩擦焊具有加热区域精确可控，能量利用率高等优点；
5)本发明结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现，除可用于钛镍异种材料的焊接外，也可用于其它高强度、高熔点异种材料的搅拌摩擦对接焊。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：1、隔热板；2、钛合金板；3、镍基合金板；4、保护气罩；5、激光输出机构；6、搅拌头；23、对接界面；41、进气管。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
实施例1
如图1所示，一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊机构和激光加热机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述工作台表面设置有隔热板1，通过设置隔热板1可减小焊接物厚度方向的温度梯度，使焊接工件底部也具有足够的软化效果，从而增加工件底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使工件底部也能充分混合，减少焊接缺陷，提高焊缝质量。
所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头6和气体保护机构，所述搅拌头6用于对待焊接工件的对接界面23处进行焊接，所述气体保护机构包括保护气罩4，所述保护气罩4的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩4的顶端设置有进气管41，所述进气管41与外部的供气设备连接，通过进气管41向保护气罩4内充入保护气体，所述保护气体为氮气；所述保护气罩4的顶端设置有若干通孔，其中一个通孔用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头6，所述搅拌头6贯穿该通孔，使搅拌头6设置于保护气罩4的内部，以便搅拌头6在保护气罩4的保护下对待焊接合金板进行焊接，所述保护气罩4的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合，便于使保护气罩4与待焊接合金板表面之间紧密贴合，保持焊接过程中的密闭性，且可以使待焊接工件与保护气罩4之间可相对滑动，便于搅拌摩擦焊设备对工件进行焊接操作。
所述激光加热机构包括设置于所述保护气罩4上部的若干激光输出机构5，所述激光输出机构5的输出端分别穿设于通孔中，且所述激光输出机构5输出端输出激光光斑照射于待焊接工件对接界面23区域，所述激光输出机构5输出的激光光斑位于搅拌头6焊接方向的前部，便于激光输出机构5预先对待焊接工件进行预热。需要说明的是，所述搅拌头6与激光输出机构5之的距离根据具体的焊接操作要求来决定，一般来说，激光输出机构5的光斑作用中心与搅拌头6在待焊接工件表面的作用中心之间的距离是18-40mm。
一种采用上述搅拌摩擦对接焊装置对钛镍异种材料进行的加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：在工作台上依次放置隔热板1、待焊接工件，并将其固定在工作台上，使搅拌头6位于待焊接工件的对接界面23正上端，且激光输出机构5的输出端分别对应照射于对接界面23的两侧区域，调节搅拌头6与激光输出机构5之间的距离，并最终固定搅拌摩擦焊设备和激光输出机构5；
步骤S2：通过保护气罩4上的进气管41输入纯度为99.9-99.99％、流量为2-30L·min-1的氩气作为保护气体，同时启动激光输出机构5，分别对待焊接工件的对接界面23两侧进行预热软化；
步骤S3：启动搅拌摩擦焊设备，在轴向下压力作用下搅拌头6旋转，并使搅拌头6沿待焊接工件的对接界面23进行相对进给运动，完成搅拌摩擦对接焊操作，使待焊接工件焊接一体。
需要说明的是，所述待焊接工件包括钛合金板2和镍基合金板3，所述钛合金板2置于搅拌头6旋转方向后退侧，镍基合金板3置于搅拌头6旋转方向前进侧，钛合金板2和镍基合金板3厚度均为2-15mm；
所述步骤S2中激光输出机构5的激光设定参数包括输出功率、激光照射到合金板表面的光斑尺寸以及作用中心，且该激光设定参数是根据搅拌头6中心偏向钛合金侧的偏移距离及搅拌头6轴肩直径决定的，所述激光输出机构5输出的激光束分别照射于对接界面23两侧区域，激光输出机构5输出的激光束照射到合金板表面的光斑一侧与对接面相切，另一侧与搅拌头6轴肩作用于待焊接工件表面后形成的相对运动外轮廓线相切，即与搅拌摩擦焊后的焊缝边缘相切，所述进气管41指向钛合金板2区域；
所述搅拌头6中心偏向钛合金板2的偏移距离为0-5mm；
所述激光输出机构5输出的激光照射到合金板表面的光斑作用中心在搅拌头6沿焊接方向的前部，二者之间的距离为18-40mm；
作用于钛合金板2区域的激光输出机构5的输出功率为500-6000W，激光照射到钛合金板2表面的光斑直径为8-20mm，作用于镍基合金板3区域的的激光输出机构5的输出功率为400-5500W，激光照射到镍基合金板3表面的光斑直径为5-15mm。
所述步骤S3中搅拌头6受到的轴向下压力F＝3000-18000N，搅拌头6旋转方向为顺时针，转速n＝300-1000r·min-1，焊接速度为v＝10-50mm·min-1。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，所述装置包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，其特征在于：该装置还包括激光加热机构，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头（6）和气体保护机构，所述搅拌头（6）用于对待焊接工件的对接界面（23）处进行焊接，所述气体保护机构包括保护气罩（4），所述保护气罩（4）的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩（4）的顶端设置有进气管（41），所述进气管（41）与外部的供气设备连接，所述保护气罩（4）的顶端设置有若干通孔；
所述激光加热机构包括设置于所述保护气罩（4）上部的若干激光输出机构（5），所述激光输出机构（5）的输出端分别穿设于通孔中，且所述激光输出机构（5）输出端输出激光光斑照射于待焊接工件的对接界面（23）区域，所述激光输出机构（5）输出的激光光斑位于搅拌头（6）焊接方向的前部；
所述工作台表面设置有隔热板（1）；
所述保护气罩（4）表面的一个通孔用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头（6），所述搅拌头（6）贯穿该通孔，使搅拌头（6）设置于保护气罩（4）的内部，所述保护气罩（4）的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合；
所述激光输出机构（5）的光斑作用中心与搅拌头（6）在待焊接工件表面的作用中心之间的距离为18-40mm；
所述加工方法包括以下步骤：
步骤S1：在工作台上依次放置隔热板（1）、待焊接钛合金板（2）和镍基合金板（3），并将其固定在工作台上，使搅拌头（6）位于待焊接工件的对接界面（23）正上端，且激光输出机构（5）的输出端分别对应照射于对接界面（23）的两侧区域，调节搅拌头（6）与激光输出机构（5）之间的距离，并最终固定搅拌摩擦焊设备和激光输出机构（5）；
步骤S2：通过保护气罩（4）上的进气管（41）输入纯度为99.9-99.99%、流量为2-30 L·min-1的氩气作为保护气体，同时启动激光输出机构（5），分别对待焊接工件的对接界面（23）两侧进行预热软化；
步骤S3：启动搅拌摩擦焊设备，在轴向下压力作用下搅拌头（6）旋转，并使搅拌头（6）沿待焊接工件的对接界面（23）进行相对进给运动，完成搅拌摩擦对接焊操作，使待焊接工件焊接一体。
2.根据权利要求1所述的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，其特征在于：所述待焊接工件包括钛合金板（2）和镍基合金板（3），所述钛合金板（2）置于搅拌头（6）旋转方向后退侧，镍基合金板（3）置于搅拌头（6）旋转方向前进侧，钛合金板（2）和镍基合金板（3）厚度均为2-15mm。
3.根据权利要求2所述的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，其特征在于：所述激光输出机构（5）输出的激光束分别照射于对接界面（23）两侧区域，且该激光束照射到待焊接工件表面的光斑一侧与对接界面（23）相切，另一侧与搅拌头（6）轴肩作用于待焊接工件表面后形成的相对运动外轮廓线相切，所述进气管（41）指向钛合金板（2）区域。
4.根据权利要求3所述的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，其特征在于：所述搅拌头（6）中心偏向钛合金板（2）的偏移距离为0-5mm。
5.根据权利要求3所述的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，其特征在于：作用于钛合金板（2）区域的激光输出机构（5）的输出功率为500-6000W，激光照射到钛合金板（2）表面的光斑直径为8-20mm，作用于镍基合金板（3）区域的激光输出机构（5）的输出功率为400-5500W，激光照射到镍基合金板（3）表面的光斑直径为5-15mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置的加工方法，其特征在于：所述步骤S3中搅拌头（6）受到的轴向下压力F=3000-18000N，搅拌头（6）旋转方向为顺时针，转速n=300-1000 r·min-1，焊接速度为v=10-50 mm·min-1。
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