CN111496368A - 一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法，该装置包括：角接静止轴肩，呈中空结构，与搅拌摩擦焊焊机主轴刚性连接；静止轴肩搅拌针，与静止轴肩同轴安装；角接夹具，固定于工作台面上，安装方向与焊接方向一致；电阻加热管，安装于夹具通孔中，与焊缝位置一致；超声发生器，安装于夹具背面通孔处，靠近焊缝背面。本发明还利用厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置对工件进行搅拌摩擦焊接。本发明公开的搅拌摩擦焊接装置及方法，解决了现有技术中焊接厚板铝合金容易产生根部未焊透、孔洞、隧道等缺陷，以及静止轴肩与搅拌针的配合间隙容易挤进材料，造成轴肩端部变形，搅拌针折断，搅拌头寿面低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊领域，特别涉及一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所发明的一种固相连接技术，适用于铝、镁等低熔点及热传导性良好的合金焊点。搅拌摩擦焊利用搅拌工具旋转插入工件产生的摩擦热软化材料，从而达到塑性状态，流动性增加，当搅拌头逐渐前移，塑性化的铝、镁合金受到轴肩的挤压和搅拌针的搅拌，从搅拌针前方转移到后方，逐渐冷却，形成焊接接头。显然，搅拌工具是焊接过程成功与否的关键因素。
近年来，因为熔焊性差的高强装甲铝合金等特殊铝合金的需求量不断上升，促进了搅拌摩擦焊接技术在航天、军工、和汽车等行业的发展，并逐渐成为国内外研究的热点之一。目前国内外在高强铝合金的搅拌摩擦焊接研究中，一般采用的单道对接焊板材厚度都在10mm以下，焊接性能良好。然而对于单道焊接厚度在10mm以上的高强铝合金材料的研究非常少，这是因为相对于薄板而言，对于厚板进行搅拌摩擦焊接的难度极大。薄板焊接的工艺参数及设备都难用于厚板焊接，焊接厚板时因为材料塑性流动不充分搅拌工具容易磨损、消耗、折断，焊缝温度分布不均匀，导致焊缝性能较差。
在2004-2005年，英国焊接研究所针对传统搅拌摩擦接技术提出了一项变革性技术：静止轴肩搅拌摩擦焊接。静止轴肩搅拌摩擦焊接工具包括一个不旋转的轴肩以及一个旋转的搅拌针。搅拌针旋转插入工件焊接，轴肩随着焊接过程只是划过焊缝表面。但目前对于角接静止轴肩的研究很少，因为搅拌与轴肩之间的间隙容易在焊接时容易进入材料，造成轴肩变形，焊缝成型差。所以搅拌针与轴肩之间的额间隙配合及搅拌针与轴肩结构是一个极大的挑战。另外角接搅拌摩擦焊接时搅拌工具、夹具、工件之间的配合也是一个难题，对于厚板静止轴肩搅拌摩擦焊接更是难上加难。
发明内容
本发明目的在于解决对厚板铝合金进行角接静止轴肩搅拌摩擦焊接时搅拌工具容易折断，材料塑性流动不充分，焊缝温度分布不均匀导致焊接厚板铝合金容易产生根部未焊透、孔洞、隧道等缺陷，以及静止轴肩与搅拌针的配合间隙容易挤进材料，造成轴肩端部变形，搅拌针折断，搅拌头寿面低等问题，提供了一种用于厚板铝合金角接搅拌摩擦焊接装置及方法。
实现本发明的目的提供的技术解决方案为：
一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括：呈中空结构的角接静止轴肩，与搅拌摩擦焊焊机主轴刚性连接；设有静止轴肩搅拌针，与静止轴肩同轴安装；还设有角接夹具，固定于工作台面上，安装方向与焊接方向一致；所述的角接夹具的通孔中设有电阻加热管，与待焊焊缝位置一致，此外在角接夹具背面通孔设有超声发生器，靠近焊缝背面。
进一步的，静止轴肩根据所焊接板厚设置不同尺寸规格，轴肩与工件不接触侧开有通孔，轴肩外表面设有凸台。
进一步的，轴肩的材料为工具钢。
进一步的，凸台高度为≥5mm，凸台外表面涂以TiN涂层；凸台表面加工有不同角度，与板材接触面角度为45°，接触面宽度为凸宽度1/2，靠近焊缝中心凸台表面角度加工为48°-52°；凸台尖端加工有2mm圆角。
进一步的，静止轴肩搅拌针设有螺纹区，其长度为≥20mm，搅拌针设有存在圆滑的直径过渡段，其长度为30mm-40mm；搅拌针尖端设有3个逆时针螺旋沟槽，搅拌针为顺时针旋转。
进一步的，角接夹具在靠近焊缝根部12mm处两侧分别设有三个通孔，直径为16mm；所述的角接夹具两侧表面分别设有2个通孔，其直径为22mm，距离焊缝根部20mm。
进一步的，电阻加热管个数为6个，分别放置于角接夹具两侧的16mm通孔，焊接时与板材表面接触。
进一步的，超声发生器个数为2个，分别放置于角接夹具两侧的22mm通孔，焊接时与板材表面接触。
一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置对工件进行搅拌摩擦焊的方法，包括：
(1)采用正反双面焊接，正面为静轴肩角接焊缝，反面为动轴肩对接焊缝；将10-40mm厚的铝合金端面加工成特殊坡口并进行清洁处理，用不锈钢丝刷打磨、去除板材拼接处氧化膜，随后再用酒精对拼接表面进行清洁；
(2)将加工并清洁后的板材装夹并固定在工作台上，选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针；
(3)将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
(4)在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔，预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm；
(5)利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，预热温度设置为150-200℃；
(6)利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部预热，预热温度设置为200℃；
(7)移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止；
(8)搅拌头下压速度为10-15mm/min，焊前停留时间为5-10s，焊后停留时间为2-5s；焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm，焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为1-2.5°；
(9)启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接；
(10)正面角接焊缝焊接完成后，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接；反面对接焊缝深度为板厚的0.2-0.3倍。
本发明与现有技术相比，其显著特点是：
(1)本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置结构简单，易于装配，配合相应的工艺方法，方便易行。
(2)本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法解决了现有技术中焊接厚板铝合金容易产生根部未焊透、孔洞、隧道等缺陷，以及静止轴肩与搅拌针的配合间隙容易挤进材料，造成轴肩端部变形，搅拌针折断，搅拌头寿面低等问题。
(3)本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法拓宽了静止轴肩搅拌摩擦焊接的工艺窗口，在保证焊接接头强度的条件下使得静止轴肩搅拌摩擦焊焊接效率提高了12％-18.6％。
(4)本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法抑制了材料挤进轴肩端部，焊后搅拌头易于清理，搅拌头使用寿命提高15％-21％。
(5)本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置并配合相应工艺使得材料的流变抗力降低，促进了搅拌针影响区金属的流动，同时抑制了搅拌针影响区金属流动延时情况，极大地提高了焊接接头的性能，使得接头抗拉强度提高3.6％-5.2％，断后延伸高2.1％-3.6％，硬度提高4.7％-6.8％。
附图说明
下面结合附图对发明做进一步说明
图1为本发明装置的静止轴肩正视图。
图2为本发明装置的静止轴肩等轴侧视图。
图3为本发明装置的搅拌针正视图。
图4为本发明装置的搅拌针仰视图。
图5为本发明装置的夹具等轴侧视图。
图6为本发明装置的板材所开坡口图。
图7为本发明装置的装配图。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的搅拌摩擦焊接装置及其方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提供的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置,结构简单。通过对背部焊缝电阻预热以及焊接时施加超声波处理，降低了材料的流变抗力，促进了搅拌针影响区金属的流动，同时抑制了搅拌针影响区金属流动延时情况，极大地提高了焊接接头的性能。本发明提供的利用搅拌摩擦焊接装置对工件进行搅拌摩擦焊的方法,操作简便，步骤清晰。此方法解决了现有技术中焊接厚板铝合金容易产生根部未焊透、孔洞、隧道等缺陷，极大地改善焊缝组织,提高焊缝的机械性能。
图7为本发明实施例提供的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置示意图。参照图,本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接装置,包括角接静止轴肩，呈中空结构，与搅拌摩擦焊焊机主轴刚性连接；静止轴肩搅拌针，与静止轴肩同轴安装；角接夹具，固定于工作台面上，安装方向与焊接方向一致。
在本发明实施例中,轴肩通孔作用为：挤入轴肩材料可通过轴肩所开通孔溢出，避免因堵塞于间隙，造成轴肩端部变形。搅拌针螺纹从从轴肩端部至内部空腔，焊接时避免挤入材料堵塞端部间隙，防止搅拌针断裂，焊后难以清理。
本发明还提供一种利用搅拌摩擦焊接装置对工件进行搅拌摩擦焊的方法，焊前对工件正面及背面进行预热，以及加工预制孔，搅拌头使用寿命延长了15％-21％。同时将功率超声输入焊缝金属内部,改善焊缝组织，有效提高焊缝的机械性能，所述静止轴肩不旋转，紧压在所述搅拌针周围的焊缝金属上，防止焊缝材料挤入轴肩,避免焊缝应力集中。
本发明提供的静止轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法拓宽了静止轴肩搅拌摩擦焊接的工艺窗口，在保证焊接接头强度的条件下使得静止轴肩搅拌摩擦焊焊接效率提高了12％-18.6％。
相比于现有静止轴肩接头添加超声波的静止轴肩接头并配合相应工艺使得材料的流变抗力降低，促进了搅拌针影响区金属的流动，同时抑制了搅拌针影响区金属流动延时情况，使得接头抗拉强度提高3.6％-5.2％，断后延伸高2.1％-3.6％，硬度提高4.7％-6.8％。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
实施例1
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为20mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为20mm，静止轴肩外径为26mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2.5°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为6mm。
实施例2
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为30mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为30mm，静止轴肩外径为34mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2.5°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为9mm。
实施例3
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为35mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为35mm，静止轴肩外径为39mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2.5°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为10mm。
实施例4
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为25mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为25mm，静止轴肩外径为29mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为1.5°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为8mm。
实施例5
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为10mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为10mm，静止轴肩外径为15mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2.5°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为3mm。
实施例6
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为15mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为15mm，静止轴肩外径为20mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为4mm。
实施例7
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为18mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为18mm，静止轴肩外径为23mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为6mm。
实施例8
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为27mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为27mm，静止轴肩外径为30mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为7.5mm。
实施例9
步骤一：装夹固定板材，所述铝合金板材厚度为12mm，将板材端面加工成图示坡口，并将表面清洁后的板材装夹、固定在工作台上；
步骤二：选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针，所述搅拌针长度为12mm，静止轴肩外径为15mm；
步骤三：装配加热管和超声发生器，所述将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
步骤四：在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔。所述预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm。
步骤五：预热焊缝，利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，所述预热温度设置为150-200℃。利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部进行预热，所述预热温度设置为200℃；
步骤六：焊缝正面焊接，移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接。搅拌头下压速度为10mm/min，焊前停留时间为10s,焊后停留时间为2-5s。焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm,焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为2°；
步骤七：焊缝反面焊接，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接，所述动轴肩搅拌针长度为3mm。
Claims (9)
1.一种厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括：呈中空结构的角接静止轴肩，与搅拌摩擦焊焊机主轴刚性连接；设有静止轴肩搅拌针，与静止轴肩同轴；还设有角接夹具，固定于工作台面上，设置方向与焊接方向一致；所述的角接夹具的通孔中设有电阻加热管，与待焊焊缝位置一致，此外在角接夹具背面通孔设有超声发生器，靠近焊缝背面。
2.如权利要求1所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述静止轴肩根据所焊接板厚设置不同尺寸规格，轴肩与工件不接触侧开有通孔，轴肩外表面设有凸台。
3.如权利要求2所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，轴肩的材料为工具钢H13。
4.如权利要求2所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的凸台高度为≥5mm，凸台外表面涂以TiN涂层；凸台表面加工有不同角度，与板材接触面角度为45°，接触面宽度为凸宽度1/2，靠近焊缝中心凸台表面角度加工为48°-52°；凸台尖端加工有2mm圆角。
5.如权利要求1所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的静止轴肩搅拌针设有螺纹区，其长度为≥20mm，搅拌针设有存在圆滑的直径过渡段，其长度为30mm-40mm；搅拌针尖端设有3个逆时针螺旋沟槽，搅拌针为顺时针旋转。
6.如权利要求1所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的角接夹具在靠近焊缝根部12mm处两侧分别设有三个通孔，直径为16mm；所述的角接夹具两侧表面分别设有2个通孔，其直径为22mm，距离焊缝根部20mm。
7.如权利要求1所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，电阻加热管个数为6个，分别放置于角接夹具两侧的16mm通孔，焊接时与板材表面接触。
8.如权利要求1所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，超声发生器个数为2个，分别放置于角接夹具两侧的22mm通孔，焊接时与板材表面接触。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的厚板铝合金角接静止轴肩搅拌摩擦焊接装置对工件进行搅拌摩擦焊的方法，其特征在于，包括：
(1)采用正反双面焊接，正面为静轴肩角接焊缝，反面为动轴肩对接焊缝；将10-40mm厚的铝合金端面加工成特殊坡口并进行清洁处理，用不锈钢丝刷打磨、去除板材拼接处氧化膜，随后再用酒精对拼接表面进行清洁；
(2)将加工并清洁后的板材装夹并固定在工作台上，选择与铝合金板材厚度对应尺寸规格的静止轴肩及搅拌针；
(3)将电阻加热管及超声产生器分别放置于对应通孔处，并与工件表面接触；
(4)在焊缝起始位置采用钻头加工盲孔，作为焊接预制孔，预制孔直径比搅拌针直径小3-5mm，盲孔深度比焊接板材厚度小4-6mm；
(5)利用弧焊热源在板材正面预热焊缝，预热温度设置为150-200℃；
(6)利用焊缝背部电阻加热管对焊件背部预热，预热温度设置为200℃；
(7)移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止；
(8)搅拌头下压速度为10-15mm/min，焊前停留时间为5-10s，焊后停留时间为2-5s；焊接过程中，搅拌针转速为800-1200rpm，焊接速度为40-60mm，搅拌头倾角为1-2.5°；
(9)启动超声发生器，超声波发生器频率为28Khz，振幅为12μm，同时启动焊机进行焊接；
(10)正面角接焊缝焊接完成后，对反面特殊坡口使用动轴肩进行焊接；反面对接焊缝深度为板厚的0.2-0.3倍。
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