CN111438435B - 静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，属于搅拌摩擦胶焊领域。首先，将下板放置于搅拌摩擦焊机工作台夹具上，沿焊缝方向放置夹层，在夹层两侧涂胶。其次，安装搅拌头与静止轴肩，当材料受热发生形变时，通过压力判断材料形变情况：若材料向上突起，挤压静止轴肩板；若材料向下内凹，降低静止轴肩板上的受力。当没有检测到变形时，静止轴肩板始终对材料施加0℃～500℃温度。最后，设置焊接参数并进行焊接，启动焊接时在下板施加超声振动，焊接完成后去下板材并清理残胶。本发明结构简单，使用方便，能够提高焊接接头质量，缓解焊缝内产生金属间化合物造成的承载能力下降问题，且能够避免静止轴肩板前端与板材接触时发生“铲”的效果。

Description

静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦胶焊领域，涉及一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法。
技术背景
搅拌摩擦焊是一种先进的焊接方法，具有焊接强度高、绿色无污染等优点，在航空航天等领域具有广泛的应用。静止轴肩辅助搅拌摩擦焊通过增加顶锻力的方式，大幅度提高焊接接头的力学性能。
中国发明专利CN201910057240.8发明了一种增强搅拌摩擦焊用静止轴肩刚性的装置及方法。该方法通过改变静止轴肩内部结构来提高静止轴肩的刚性，从而提高焊接接头的力学性能。
中国发明专利CN201811506207.0发明了一种全焊透双静止轴肩填丝搅拌摩擦焊方法。该方法通过新型的静止轴肩实现了搅拌头的穿透焊接。并通过静止轴肩上的填丝孔为焊缝补偿材料。从而提高焊接质量。
中国发明专利CN201810686820.9发明了一种具有自撑式结构的搅拌摩擦焊用静止轴肩及焊接方法。该方法通过一种新型静止轴肩实现了焊接过程中实现了静止轴肩的自支撑作用。从而增加了静止轴肩工艺的应用范围。
中国发明专利CN201811084373.6发明了一种非等厚板材拼焊用静止轴肩搅拌工具。该发明的静止轴肩由搅拌针、轴肩、轴承组成。搅拌针直接与主轴连接，共同旋转，轴肩通过轴承滚动与板材保持静止。通过分体式独特型面轴肩设计，有效地解决了非等厚板材的搅拌摩擦焊的可焊性差、飞边严重、强度下降的问题，操作简单，适应性强。
中国发明专利CN201810575901.1发明了一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头。该发明通过设置下压单元和上升单元，将上轴肩和下轴肩压住待焊接的两个工件，而且当搅拌针在高速旋转的时候，上轴肩和下轴肩不会发生旋转，因此在焊接过程中不会和工件发生高速摩擦的情形，不会使工件变形，从而保证了焊缝的质量。
搅拌摩擦焊焊接方式分为对接、搭接和角接，其中搭接方式是搅拌摩擦焊的一重要接头形式。然而，搅拌摩擦焊搭接接头的密封性较差严重影响搅拌摩擦焊的应用范围。为解决焊接接头密封性差的问题，众多学者提出了搅拌摩擦胶焊的方法。传统搅拌摩擦胶焊采用先在整个焊缝区涂胶再焊接的方式。这种焊接中，进入焊缝内的胶会引起应力集中，降低焊接接头的力学性能。同时，焊接完成后需要对胶层进行固化，增加搅拌摩擦胶焊的工艺复杂性。
发明内容
为防止搅拌摩擦胶焊胶层进入焊缝区的问题且简化搅拌摩擦胶焊的工艺复杂性，本发明提出了一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法。
本发明采用的技术方案为：
一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，包括以下步骤：
步骤一：将下板2放置于搅拌摩擦焊机工作台夹具上，沿焊缝方向放置一厚度为0.01～1mm的条状夹层3。在夹层3两侧涂胶形成胶层4后放置上板1并夹紧夹具。
所述的上、下板1、2的板材选自镁、铝、钛等金属材料，可相同可不同。当上下板材相同时，夹层材料与板材相同；当上下板材不同时，夹层材料可与下板材料相同或者采用第三种材料。其中，当夹层采用第三种材料时，夹层材料必须在焊接时可与上下板材发生共晶反应。
所述的条状夹层3宽度比搅拌头5的直径大0～1mm，长度与焊缝长度相同。
步骤二：安装搅拌头5与静止轴肩6，搅拌头5依次插入静止轴肩6的上套圈8、下套圈，与静止轴肩体12接触。所述的超声工具头7位于下板2下方。
所述静止轴肩6包括上套圈8，上下支撑臂9，静止轴肩板11，静止轴肩体12，静止轴肩板前端13，上下套圈支撑臂15。所述上套圈8与下套圈之间设有上下套圈支撑臂15，上套圈8内径大于下套圈内径。所述的上套圈8下方设有两个长条状挡板10，上套圈8与挡板10之间设有上下支撑臂9，上下支撑臂9长度大于上下套圈支撑臂15，两个长条状挡板10之间设有静止轴肩体12。所述的挡板10下方设有静止轴肩板11。所述静止轴肩板前端13向上翘曲或安装弹性导轮，避免静止轴肩板前端与板材接触时发生“铲”的效果。所述静止轴肩板11与挡板10之间通过小型气缸连接，挡板10上有气缸的进气口14，通过进气口14通入高压气体使静止轴肩板11对待焊板材施加压力。所述的静止轴肩6上根据挡板10和静止轴肩板11大小装有3到5个静止轴肩板11。所述的静止轴肩板11上装有电阻丝，电阻丝焊接时对板材进行加热。静止轴肩板温度为30℃～2000℃。
当材料受热发生形变时，通过压力判断材料形变情况。若材料向上突起，将挤压静止轴肩板11，从而该块静止轴肩板11上方气体压力将增大；若材料向下内凹，将降低静止轴肩板11上的受力，从而减小该块静止轴肩板上方气体压力。当没有检测到变形时，静止轴肩板11始终对材料施加30℃～500℃温度。
根据判断的材料形变情况，对形变区静止轴肩板11上的温度进行调节，以达到控制形变的功能。当检测到某个静止轴肩板11压力变大时，该静止轴肩11升高辅热温度10～100℃，且与其相邻的静止轴肩板11降低5～100℃，使得材料变形得到控制与矫正。
步骤三：设置焊接参数并进行焊接。其中，启动焊接时，在下板施加超声振动。其中，超声振动功率为60～2000W，振幅为15～55μm。
步骤四：焊接完成后去下板材并清理残胶。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中，上下板材中间夹有一夹层。该夹层可有效地降低胶层进入焊缝的概率，利于获得高力学性能的焊接接头。
(2)本发明中，通过进气口通入高压气体，气压推动静止轴肩板对焊缝周围施加压力。同时，材料受热发生形变时对静止轴肩板进行挤压，高压气体的气压发生变化，通过气压的变化判定材料形变并通过改变静止轴肩板上温度使得材料变形得到控制和矫正。
(3)本发明中，静止轴肩体在焊接过程中对焊缝挤压，为焊缝提供额外的顶锻力，从而提高焊缝质量。同时，静止轴肩可以实现“抹”的作用，在焊接过程中静止轴肩可以去除焊缝周围的飞边，优化焊缝表面形貌。
(4)本发明中，采用的新型静止轴肩板带有辅热功能。焊接时，静止轴肩板前端可对板材进行预热，为焊缝区施加压应力，有效减小焊接后板材变形翘曲；静止轴肩体在焊接时可施加额外的顶锻力，增加接头力学性能；静止轴肩板后端可持续施加顶锻力，从而提高焊接接头质量，同时静止轴肩板后端持续加热，可增加胶层区的高温持续时间，进行实现胶层的固化。
(5)本发明中，夹层可采用与板材相同材料或者第三种材料。当上下板为异种合金(如铝与镁、铝与铜、铝与钢、铝与钛等)，夹层可选择合适的第三种材料，以缓解焊缝内产生金属间化合物造成的承载能力下降问题。
(6)本发明中，焊接时需要施加一定的超声振动。该超声将会细化焊缝区晶粒，提高接头力学性能。同时，超声在夹层与上下板材之间的细小的缝隙中产生负压，这将促进胶层填充这些细小的缝隙，提高焊接接头的疲劳性能。
(7)本发明中，静止轴肩板前端向上翘曲或安装有弹性导轮。避免静止轴肩板前端与板材接触时发生“铲”的效果。
附图说明：
图1为一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法搭接结构示意图。
图2为一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法焊接示意图。
图3为一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法新型静止轴肩结构示意图。
其中，1上板，2下板，3夹层，4胶层，5搅拌头，6静止轴肩，7超声工具头，8上套圈，9上下支撑臂，10挡板，11静止轴肩板，12静止轴肩体，13静止轴肩板前端，14进气口，15上下套圈支撑臂。
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：将下板2放置于搅拌摩擦焊机工作台夹具上，沿焊缝方向放置一厚度为0.05mm的条状夹层3。在夹层3两侧涂胶形成胶层4后放置上板并夹紧夹具。其中，上下板材均为钛合金。所述的条状夹层3宽度比搅拌头5的直径大0.5mm，长度与焊缝长度相同。
步骤二：安装搅拌头5与静止轴肩6，搅拌头5依次插入静止轴肩6的上套圈8、下套圈，与静止轴肩体12接触。所述的超声工具头位于下板2下方。所述静止轴肩6包括上套圈8，上下支撑臂9，静止轴肩板11，静止轴肩体12，静止轴肩板前端13，上下套圈支撑臂15。所述上套圈8与下套圈之间设有上下套圈支撑臂15，上套圈8内径大于下套圈内径。所述的上套圈8下发设有两个长条状挡板10，上套圈8与挡板10之间设有上下支撑臂9，上下支撑臂9长度大于上下套圈支撑臂15，两个长条状挡板10之间设有静止轴肩体12。所述的挡板10下方设有静止轴肩板11。所述静止轴肩板前端13向上翘曲。所述静止轴肩板11与挡板10之间通过小型气缸连接，挡板10上有气缸的进气口14，通过进气口14通入高压气体使静止轴肩板11对待焊板材施加压力。所述的静止轴肩6上装有3个静止轴肩板11。所述的静止轴肩板11上装有电阻丝，电阻丝焊接时对板材进行加热。
所述静止轴肩板11从前到后温度依次为800℃、400℃和200℃，其中，靠近静止轴肩板前端13的位置为前。
步骤三：设置焊接参数并进行焊接。启动焊接的同时，在下板施加超声振动。其中，超声振动功率为1000W，振幅为20μm。
步骤四：焊接完成后去下板材并清理残胶。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，在步骤一中，上板采用铝合金，下板采用镁合金，夹层采用0.05mm厚锌箔；在步骤二中，静止轴肩板11从前到后温度依次为400℃、200℃和100℃；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，在步骤三中，超声振动功率为600W，振幅为50μm；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 (5)

1.一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一：将下板(2)放置于搅拌摩擦焊机工作台夹具上，沿焊缝方向放置一厚度为0.01~ 1 mm的条状夹层(3)；在夹层(3)两侧涂胶后放置上板(1)并夹紧夹具；所述的条状夹层(3)宽度比搅拌头(5)的直径大0 ~ 1 mm，长度与焊缝长度相同；所述的上、下板(1、2)的板材可相同可不同；当上下板材相同时，夹层材料与板材相同；当上下板材不同时，夹层材料可与下板材料相同或者采用第三种材料，当夹层采用第三种材料时，夹层材料要求在焊接时与上下板材发生共晶反应；
步骤二：安装搅拌头(5)与静止轴肩(6)，搅拌头(5)依次插入静止轴肩(6)的上套圈(8)、下套圈，与静止轴肩体(12)接触；超声工具头(7)位于下板(2)下方；
所述静止轴肩(6)包括上套圈(8)，上下支撑臂(9)，静止轴肩板(11)，静止轴肩体(12)，静止轴肩板前端(13)，上下套圈支撑臂(15)；所述上套圈(8)与下套圈之间设有上下套圈支撑臂(15)，上套圈(8)内径大于下套圈内径；所述的上套圈(8)下方设有两个长条状挡板(10)，上套圈(8)与挡板(10)之间设有上下支撑臂(9)，上下支撑臂(9)长度大于上下套圈支撑臂(15)，两个长条状挡板(10)之间设有静止轴肩体(12)；所述的挡板(10)下方设有静止轴肩板(11)；所述静止轴肩板(11)与挡板(10)之间通过气缸连接，挡板(10)上设有气缸的进气口(14)，通过进气口(14)通入高压气体使静止轴肩板(11)对待焊板材施加压力；所述的静止轴肩板(11)上装有电阻丝，电阻丝焊接时对板材进行加热；
当材料受热发生形变时，通过压力判断材料形变情况：若材料向上突起，挤压静止轴肩板(11)，该块静止轴肩板(11)上方气体压力将增大；若材料向下内凹，降低静止轴肩板(11)上的受力，从而减小该块静止轴肩板上方气体压力；当没有检测到形变时，静止轴肩板(11)始终对材料施加30℃ ~500℃温度；
根据判断的材料形变情况，对形变区静止轴肩板(11)上的温度进行调节，以达到控制形变的功能；当检测到某个静止轴肩板(11)压力变大时，该静止轴肩板(11)上的温度升高10 ~ 100℃，且与其相邻的静止轴肩板(11)上的温度降低5 ~ 100℃，使得材料形变得到控制与矫正；
步骤三：设置焊接参数并进行焊接；其中，启动焊接时，在下板施加超声振动；其中，超声振动功率为60 ~ 2000 W，振幅为15 ~ 55 μm ；
步骤四：焊接完成后取下板材并清理残胶。
2.根据权利要求1所述的一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，其特征在于，所述的静止轴肩板(11)的静止轴肩板前端(13)向上翘曲或安装弹性导轮。
3.根据权利要求1或2所述的一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，其特征在于，所述的挡板(10)下方设有3到5个静止轴肩板(11)。
4.根据权利要求1或2所述的一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，其特征在于，所述的上板(1)的板材选自镁、铝、钛金属材料；所述的下板(2)的板材选自镁、铝、钛金属材料。
5.根据权利要求3所述的一种静止轴肩辅助搅拌摩擦胶焊方法，其特征在于，所述的上板(1)的板材选自镁、铝、钛金属材料；所述的下板(2)的板材选自镁、铝、钛金属材料。
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