CN111438434B - 基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于冷‑热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法，属于搅拌摩擦焊领域。该方法基于冷‑热拉伸焊接夹具实现搅拌摩擦胶焊。首先，在对应冷‑热拉伸焊接夹具上插入相应的冷‑热块，将待焊的上板和下板叠放在一起，两板之间涂有胶层，涂胶后放置于冷‑热拉伸焊接夹具中。其次，将冷‑热拉伸焊接夹具放置于搅拌摩擦焊机工作台上，设置焊接参数进行焊接。最后，焊接完成后，热块持续施加0～1000s的10～200℃的辅热，对胶层进行固化的同时降低焊缝应力，取下焊接板材并去除残胶，完成焊接。本发明能够提高零件的装配精度；在焊接预先在焊缝中制备压应力来缓和焊接过程中的拉应力，达到减小焊接变形的目的；安装时不需要对应正负极，安装便捷；使用方便。

Description

基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊领域，尤其涉及一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法。
技术背景
航空航天技术的发展水平是国家科技进步的重要标志。航空材料连接技术是影响航空航天工业发展的因素之一。飞机蒙皮等薄板结构大多采用机械铆接的方式进行连接。但是，铆接所使用的铆钉将会增加连接接头的重量，从而增加飞行器飞行的负担。使用传统熔化焊对薄板结构进行焊接时，焊接过程中较大的热输入会使薄板材料产生的翘曲等变形加剧，不利于薄壁结构的装配精度。
搅拌摩擦焊作为一种先进的连接技术，具有连接强度高、焊接温度低和焊接应力小等优点，广泛地应用于航空航天领域。采用搅拌摩擦焊对薄板进行焊接时，焊接温度较低、板材变形较小，然而对于薄壁结构的焊后变形仍较突出。同时，在搅拌摩擦搭接焊时焊接接头密封性较差，不利于在密封性要求过高的条件下使用。为此，众多学者提出了一种搅拌摩擦胶焊的方式来弥补搅拌摩擦焊搭接接头密封性较差的问题。常规搅拌摩擦胶焊采用先焊接再封胶最后对胶层进行固化的流程。这增加了搅拌摩擦胶焊的工序，影响搅拌摩擦胶焊的使用范围。
发明内容
为解决传统搅拌摩擦焊密封性差、薄板焊接翘曲问题，本发明提出了一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法。
本发明采用的技术方案为：
一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法，基于冷-热拉伸焊接夹具实现搅拌摩擦胶焊。
所述冷-热拉伸焊接夹具包括上下夹具两部分，上、下夹具2、8将待焊板材装夹在中间，上夹具2开槽露出待焊区域，开槽处用于通过搅拌头1。在上、下夹具2、8接触待焊板材的整个表面装有冷-热块(下夹具表面冷-热块7、上夹具表面冷-热块9)。
所述冷-热块通过五孔定位的方式装于夹具内壁之上，冷-热块下表面装有1～20个应变片，以便测量焊接过程中板材变形产生的压力。冷-热块采用两正极，两负极相对安装的供电方式，该方式可以在冷-热块安装时不再区分安装方向(两个正极，两个负极，这样避免旋转一定角度而不能直径插入的问题)。在冷-热块工作表面12的正下方设有分段式插头10、电源正极11、电源负极14、电源正极16、电源负极17；所述分段式插头10上方分段，分别对应不同的应变片13正负接线，分段式插头10下方设有锁紧凹槽15。安装后，冷-热块对应的插孔里设有弹簧压片19，冷-热块插入后，弹簧压片19扣紧冷-热块对应的凹槽进行锁紧。
所述冷-热块分为冷块和热块两种。冷块的工作表面装有半导体制冷片，将半导体制冷片冷面朝向工作表面，热面紧贴冷块的块体，从而便于半导体制冷块的散热。所述热块的工作表面装有电阻丝。
进一步的，冷-热块工作表面可以采用正方形、等边三角形等不同的形状，且工作表面可作成不同曲率的弧形，以适应不同的待焊板材的形状。
一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法，包括以下步骤：
步骤一：在对应冷-热拉伸焊接夹具上插入相应的冷-热块。该插入方式可以分为：上冷下热(上夹具2装冷块，下夹具8装热块)、上热下冷(上夹具2装热块，下夹具8装冷块)和冷热混合(上、下夹具2、8表面均相间插入冷-热块)三种方式。特别地，冷热快可铺满整个夹具表面，也可以只安装在焊缝周围。
步骤二：将待焊的上板4和下板6叠放在一起，两板之间涂有胶层5，涂胶后放置于冷-热拉伸焊接夹具中。其中，板材材料为铝合金、钛合金等金属材料。板厚为0.3～5mm。其中，胶层5中掺杂有0.1％～10％的石墨烯微片。
步骤三：将冷-热拉伸焊接夹具放置于搅拌摩擦焊机工作台上，设置焊接参数进行焊接。其中，搅拌头1转速为50～5000rpm，焊速为5～1000mm/min，下压量为0～1mm。
搅拌头1前进方向前方的热块施加100～1000℃的辅热，对焊缝3前方进行预热。其中，冷块不工作。
搅拌头1前进方向后方的热块持续施加10～200℃的辅热，一方面对胶层5进行固化，另一方面缓解焊缝3周围温度梯度，降低板材应力，减少形变。其中，冷块不工作。
搅拌头1前进方向后方焊缝3区两侧实时监测每个应变片的压力变化。当某一块冷-热块压力值增加时，则该处热块升温10～100℃，其对应的背面冷块工作，施加-10～-150℃的冷却温度从而降低背部温度。同时，该热块周围的热块降低辅热温度，从而通过冷-热拉伸实现对板材的矫正。
步骤四：焊接完成后，热块持续施加0～1000s的10～200℃的辅热。对胶层5进行固化的同时降低焊缝应力。最后取下焊接板材并去除残胶，完成焊接。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中，冷-热块通过添加电阻丝、半导体制冷片和应变片实现焊接过程中板材的变形进行监测、焊前预热、焊后固化的功能。
(2)本发明中，通过变形区域的冷-热块的温度实现对焊接变形的矫正，降低焊接应力，减小焊接变形，从而提高零件的装配精度。
(3)本发明中，夹具表面添加的冷-热块可以实现焊前预热，在焊接预先在焊缝中制备压应力来缓和焊接过程中的拉应力，从而达到减小焊接变形的目的。
(4)本发明中，热块在焊后持续加热，实现焊后固化的作用。这将简化搅拌摩擦胶焊的工序，扩大胶焊工艺的应用范围。
(5)本发明中，冷-热块正负极插头对称布置，安装时不需要对应正负极，安装便捷。
(6)本发明中，半导体制冷片的热面通过与冷-热块块体的接触进行散热，保证了半导体制冷片的有效运行。
(7)本发明中，胶层中掺杂有石墨烯微片。该微片可以增加胶层的韧性，提高焊缝区力学性能。
附图说明
图1为一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法中夹具安装示意图。
图2为一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法中冷-热块。
图3为一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法中冷-热块安装示意图。
图中：1搅拌头，2上夹具，3焊缝，4上板，5胶层，6下板，7下夹具表面冷-热块，8下夹具，9上夹具表面冷-热块，10分段式插头，11电源正极，12冷-热块工作表面，13应变片，14电源负极，15锁紧凹槽，16电源正极，17电源负极，18夹具表面，19弹簧压片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
步骤一：在上夹具2上插入正方形的冷块9，下夹具8插入热块7。
步骤二：将上下待焊板材焊缝区涂胶后放置于夹具中。其中，板材材料为1mm厚钛合金。其中，胶层中掺杂有1％的石墨烯微片
步骤三：将夹具放置于搅拌摩擦焊机工作台上，设置焊接参数进行焊接。其中，搅拌头前方待焊区域外侧可进行热拉伸。搅拌头后方焊缝区两侧实时监测每个应变片的压力变化。当压力值过大时，启动对应应变片区域的冷-热块工作，通过热应力对板材进行矫正。焊接完成后，热块持续工作，将温度控制在60℃对焊缝中的胶层进行固化。
步骤四：取下焊接板材并去除残胶，完成焊接。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于，在步骤一中，上下夹具表面插入正三角形冷-热块；其余部分与实施例1相同。
实施例3：
实施例3与实施例1的区别在于，在步骤二中，板材为2mm厚的7075铝合金；其余部分与实施例1相同。
实施例4：
实施例4与实施例1的区别在于，在步骤三中，焊接完成后，热块以100℃温度持续工作；其余部分与实施例1相同。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，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，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法，其特征在于，该方法基于冷-热拉伸焊接夹具实现搅拌摩擦胶焊；所述冷-热拉伸焊接夹具包括上下夹具两部分，上、下夹具（2、8）将待焊板材装夹在中间，上夹具（2）开槽露出待焊区域，开槽处用于通过搅拌头(1)；在上、下夹具（2、8）接触待焊板材的整个表面装有冷-热块；所述冷-热块通过五孔定位的方式装于夹具内壁之上，冷-热块下表面装有应变片，用于测量焊接过程中板材变形产生的压力；冷-热块采用两正极，两负极相对安装的供电方式，该方式可以在冷-热块安装时不再区分安装方向；在冷-热块工作表面(12)的正下方设有分段式插头(10)、和电源正极负极；所述分段式插头(10)上方分段，分别对应不同的应变片正负接线；所述冷-热块包括冷块和热块，冷块的工作表面装有半导体制冷片，热块的工作表面装有电阻丝；搅拌摩擦薄板胶焊方法包括以下步骤：
步骤一：在对应冷-热拉伸焊接夹具上插入相应的冷-热块；
步骤二：将待焊的上板(4)和下板(6)叠放在一起，两板之间涂有胶层(5)，涂胶后放置于冷-热拉伸焊接夹具中；其中，上板(4)的板厚为0.3 ~5 mm，下板(6)的板厚为0.3 ~5 mm，胶层(5)中掺杂有0.1% ~ 10%的石墨烯微片；
步骤三：将冷-热拉伸焊接夹具放置于搅拌摩擦焊机工作台上，设置焊接参数进行焊接；其中，搅拌头(1)转速为50 ~ 5000 rpm，焊速为5 ~ 1000 mm/min，下压量为0 ~ 1 mm；
所述搅拌头(1)前进方向前方的热块施加100 ~ 1000℃的辅热，对焊缝(3)前方进行预热；其中，冷块不工作；
所述搅拌头(1)前进方向后方的热块持续施加10 ~ 200 ℃的辅热，一方面对胶层(5)进行固化，另一方面缓解焊缝(3)周围温度梯度，降低板材应力，减少形变；其中，冷块不工作；
所述搅拌头(1)前进方向后方焊缝(3)区两侧实时监测每个应变片的压力变化；当某一块冷-热块压力值增加时，则该处热块升温10 ~ 100 ℃，其对应的背面冷块工作，施加-10~ -150℃的冷却温度从而降低背部温度；同时，该热块周围的热块降低辅热温度，从而通过冷-热拉伸实现对板材的矫正；
步骤四：焊接完成后，热块持续施加0 ~ 1000s的10 ~ 200 ℃的辅热；对胶层(5)进行固化的同时降低焊缝应力；最后取下焊接板材并去除残胶，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于冷-热拉伸的搅拌摩擦薄板胶焊方法，其特征在于，步骤一的插入方式包括以下三种：上冷下热：上夹具(2)装冷块、下夹具(8)装热块；上热下冷：上夹具(2)装热块，下夹具(8)装冷块；冷热混合：上、下夹具(2、8)表面均相间插入冷-热块。
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