CN111618420A - 一种弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备，采用输入脉冲电流促进镁合金搅拌摩擦焊接时接头组织的动态再结晶过程，使晶粒随机取向化，进而弱化织构，提高焊接接头的综合力学性能；焊接过程中，输入脉冲电流随导电针直接深入焊缝中进行导电，电能损耗低且电流密度高，更加有利于织构弱化和非基面滑移的产生，从而改善接头的力学性能。本发明增强焊接过程中镁合金接头组织的流塑性和晶粒取向随机性，既使镁合金静轴肩搅拌摩擦焊接接头的微观组织结构具有良好的对称性，改善接头断裂位置；又弱化接头织构分布的强度，进而提高其延展性；同时降低搅拌针在焊接过程中的磨损，有效地提高焊接质量与工作效率。

Description

一种弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备，应用于航空航天、交通运输、兵器制造、电子工程等工业领域。

背景技术

轻质高性能镁合金具有一系列优良性能和资源优势，被称为“21世纪新兴绿色工程材料”，是工业发达的国家大力发展的轻质结构材料。因此镁合金的连接技术变得至关重要。焊接技术发展至今，追求的目标是高质、高效和高速，对于焊接方法的要求也越来越高。然而由于镁合金熔点低、线膨胀系数和导热率高、化学性质活泼，因此焊接时容易产生夹杂、气孔和脆性相等缺陷，并伴有结晶偏析、晶粒粗大、热裂纹、残余应力高等问题。

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(The Welding Institute,TWI)于1991年研发的一种固相连接技术，其原理是在焊接过程中，旋转的搅拌针插入到工件中，在搅拌针和工件及轴肩和工件之间产生的摩擦热的共同作用下，待焊工件金属发生软化，在未达到熔点时形成固相连接。其作为一种新型的固相连接技术，具有焊接变形小、能量消耗少、绿色环保、能有效细化晶粒等焊接优点，在连接镁合金方面具有很多熔化焊无法比拟的优势。

为了减少焊接时搅拌针的磨损，提高热量输入和接头质量，重庆大学的罗键提出了一种使用混合热源搅拌摩擦焊接技术。在焊接过程中将电流施加到焊接工具和工件上，电流产生的电阻热作为辅助热源，与焊接过程中搅拌针在工件中摩擦产生的摩擦热组成的混合热作用于焊接接头。这种载流方式可以提高焊接时输入电流密度和电流产生的电阻热，从而使焊缝中的部分区域发生非均匀的塑性变形，进而影响焊接接头力学性能。对于镁合金而言，其焊接接头织构强度较高，导致其接头强度和疲劳性能均弱于母材，通过输入高强度脉冲电流的电塑性效应可以弱化织构，且电流输入密度越高，改善效果越显著。

静轴肩搅拌摩擦焊是搅拌摩擦焊的改良技术之一，使用改进的工装系统，其中轴肩保持静止以大大降低焊接时轴肩与工件摩擦产生的热量输入。因此静轴肩搅拌摩擦焊在搅拌区的整个厚度范围内会产生更均匀的温度分布，这可以改善镁合金静轴肩搅拌摩擦焊接接头的微观组织结构的不对称性，从而提高其力学性能。但这类设备普遍集成性较高，存在不便于安装和拆卸等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服镁合金搅拌摩擦焊接过程的缺陷及不足，提供一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备，有效降低了传统镁合金搅拌摩擦焊接时的成形应力，提高接头组织动态再结晶的过程，有利于接头织构强度的弱化和非基面滑移的产生，从而改善接头的力学性能。闭合回路中的脉冲电流通过一系列铜制材料导电针的高效传导，可直接将脉冲电流随内置铜制导电针插入焊缝中导通电流，高密度的脉冲电流具有极强的电塑性，可增加接头组织动态再结晶的形核率，使晶粒取向随机化，提高低温下的延展性；脉冲电流从前进侧流回电源可以增强材料流动，优化非均匀塑性变形的现象，从而改善接头断裂位置。同时设备便于拆卸组装，可将发生故障的装置及时拆除，有效地提高了焊接质量和工作效率。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法，在焊接过程中，内置铜制导电针(16)插入搅拌针内部，通过铜制螺钉(18)定位夹紧；搅拌针(15)垂直固定于轴向可调针柄(14)；轴向可调针柄(14)外侧由铜环(17)和针柄绝缘套(12)包裹，并垂直固定转子针柄架(2)；铜制导流板(25)镶嵌于绝缘底板(24)中，并与导电铜棒(23)接触；焊接开始前，主轴带动插有铜制导电针(16)的搅拌针(15)高速转动压入待焊工件(20)，静轴肩(10)与工件表面紧密接触，防止焊接时产生的塑性材料挤出形成飞边；待搅拌针(15)完全深入母材后，闭合电源，接入脉冲电流；外接电源(21)输入的脉冲电流依次通过定位导电针(7)、可调式铜制弹簧定子导电针(9)、轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)、铜制螺钉(18)、内置铜制导电针(16)，然后流经焊接工件(20)、铜制导流板(25)、前进侧的导电铜棒(23)最后回到外接电源(21)形成闭合回路；输入的高密度脉冲电流在内置铜制导电针的作用下集中通过镁合金待焊工件(20)，并且从前进侧流回电源，所述待焊工件(20)在脉冲电流产生电流热效应和电塑性效应的共同作用下完成焊接。

作为优选，通电后可调式铜制弹簧定子导电针(9)在弹簧和定位导电针(7)的作用下与轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)动态贴合从而导通脉冲电流。

作为优选，铜环(17)和铜制螺钉(18)高效传导脉冲电流集中于安装在搅拌针(15)内部的铜制导电针(16)，铜制导电针(16)随搅拌针共同深入到待焊工件(20)当中，输出高密度脉冲电流作用于焊缝中。

本发明还提供一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备，包括保护罩(3)、制冷装置(4)、气体保护装置，载流装置、绝缘装置和支撑连接架(6)；其中，保护罩(3)上配有照明系统，上部与整体焊接设备通过螺栓连接，下部连接制冷装置(4)，对绝缘连接套(1)和转子针柄架(2)部分进行了保护；制冷装置(4)由进水口连接头(5)、冷水室(22)、出水口连接头(13)构成；冷却液从进水口流入，从出水口流出，降低焊接设备运转时的温度；气体保护装置和载流装置集成在一个法兰盘(8)上；载流装置由定位导电针(7)、可调式弹簧定制导电针(9)、铜环(17)、铜制螺钉(18)和能够插入到待焊工件(20)内部的内置铜制导电针(16)以及铜制导流板(25)组成；气体保护装置包含两个进气孔，四个出气孔(19)，氩气保护气排出后高密度集中在搅拌针周围，使镁合金焊缝得到良好的保护；支撑连接架(6)固定在制冷装置(4)上，连接气体保护装置的法兰盘(8)，稳定设备外部结构。绝缘装置由各装置之间的绝缘板(11)、绝缘底板(24)、导电针绝缘套(26,27)、针柄绝缘套(12)和绝缘连接套(1)组成；保证设备与工作台之间、导电针与其他工件之间保持绝缘。

作为优选，支撑连接架(6)可进行拆卸组装。

作为优选，气体保护装置在法兰盘(7)底部存在气体通道，保护气高密度集中排出时可对导电针与搅拌针起到少量冷却作用。

作为优选，绝缘装置均由聚甲醛树脂POM材料制成。

与现有焊接技术相比，本发明优点如下：

1、传导电流的工件均采用铜制材料，与其他工件绝缘接触，提高了脉冲电流传导的高效性；导电铜针随搅拌针深入到镁合金焊缝当中，可将输入的脉冲电流高密度集中导通在焊缝中，在焦耳效应和电塑性效应的双重作用下，加速促进组织动态再结晶，降低使晶粒长大的的驱动应力，有利于织构弱化和非基面滑移的产生，提高接头的综合力学性能。

2、静轴肩改善了传统镁合金搅拌摩擦焊接接头的微观组织结构的不对称性，增强材料流动性以优化非均匀塑性变形现象，提高了接头力学性能。

3、设备结构简单，易于组装和拆卸，方便对故障装置进行拆除和修理，提高使用效率。

附图说明

图1为本发明基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备结构示意图。

图2为本发明中基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法示意图。

图3为本发明基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备俯视结构半剖示图。

图中：绝缘连接套(1)、转子针柄架(2)、保护罩(3)、制冷装置(4)、进水口连接头(5)、支撑连接架(6)、定位导电针(7)、法兰盘(8)、可调式铜制弹簧定子导电针(9)、静轴肩(10)、绝缘板(11)、针柄绝缘套(12)、出水口连接头(13)、轴向可调针柄(14)、特制搅拌针(15)、内置铜制导电针(16)、铜环(17)、铜制螺钉(18)、出气孔(19)、待焊工件(20)、电源(21)、冷水室(22)、导电铜棒(23)、绝缘底板(24)、铜制导流板(25)、导电针绝缘套(26,27).

具体实施方式

本发明提供基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法和设备，通过输入脉冲电流产生的电流热效应，可以增强材料的流动性和微观组织的对称性；由于镁合金的成形性差，流动应力高，因此采用脉冲电流的电塑性效应来减少流动应力，提高材料的延伸率以及成形性。因为电流密度越大，电塑性效果越显著，所以导流工件全部采用导电率高的铜制材料，最终脉冲电流在内置铜制导电针针头高密度集中，并深入到焊缝当中，使脉冲电流传导效率达到最大。外接输入的惰性气体对焊接区进行隔离保护。按工艺要求调整电流密度，使焊缝温度均匀分布，改善前进侧易产生组织突变的问题，改变焊缝断裂位置，减少焊缝缺陷。导电针与搅拌针进行动态接触即可传导电流，减少不必要的磨损，可以延长导电针的使用寿命。同时，设备结构简单，组装拆卸方便，易于对设备零部件进行定期维护，提高使用效率。

以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。

如图1、2、3所示，本发明提供一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法，在焊接过程中，内置铜制导电针(16)插入搅拌针内部，通过铜制螺钉(18)定位夹紧；搅拌针(15)垂直固定于轴向可调针柄(14)；轴向可调针柄(14)外侧由铜环(17)和针柄绝缘套(12)包裹，并垂直固定转子针柄架(2)；铜制导流板(25)镶嵌于绝缘底板(24)中，并与导电铜棒(23)接触；焊接开始前，主轴带动插有铜制导电针(16)的搅拌针(15)高速转动压入待焊工件(20)，静轴肩(10)与工件表面紧密接触，防止焊接时产生的塑性材料挤出形成飞边；待搅拌针(15)完全深入母材后，闭合电源，接入脉冲电流；外接电源(21)输入的脉冲电流依次通过定位导电针(7)、可调式铜制弹簧定子导电针(9)、轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)、铜制螺钉(18)、内置铜制导电针(16)，然后流经焊接工件(20)、铜制导流板(25)、前进侧的导电铜棒(23)最后回到外接电源(21)形成闭合回路；输入的高密度脉冲电流在内置铜制导电针的作用下集中通过镁合金待焊工件(20)，并且从前进侧流回电源，所述待焊工件(20)在脉冲电流产生电流热效应和电塑性效应的共同作用下完成焊接。本发明中，外接电流采用脉冲电流，一端与定位导电针(14)连接，一端与导电铜棒(19)连接，因为电源所连接导电铜棒(19)的位置不同，会改变原温度场分布，因此电流对焊缝会分别起到焊前预热或焊后热处理的作用；控制闭合回路中电流密度集中于前进侧，改善镁合金搅拌摩擦焊接前进侧微观组织易发生非均匀塑性变形这一缺陷。

作为优选，通电后可调式铜制弹簧定子导电针(9)在弹簧和定位导电针(7)的作用下与轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)动态贴合从而导通脉冲电流。

作为优选，铜环(17)和铜制螺钉(18)高效传导脉冲电流集中于安装在搅拌针(15)内部的铜制导电针(16)，内置铜制导电针(16)随搅拌针共同深入到待焊工件(20)当中，传导高密度脉冲电流作用于焊缝中。

为了在焊接过程中获得成型良好的镁合金焊缝，优化焊接工艺和焊接性能，本发明在静轴肩搅拌摩擦焊接搅拌针内部安置铜制导电针，随搅拌针共同插入焊缝中高效传导电流；电源输入电流均为脉冲电流，脉冲电流通过加速位错运动来促进动态再结晶，因此脉冲电流能够增加接头组织动态再结晶的形核率，并改变晶粒的排列方向，使晶粒取向随机化，有利于织构弱化和非基面滑移的产生，从而改善接头的力学性能。同时，镁合金载流静轴肩搅拌摩擦焊在导电针直接插入焊缝传导脉冲电流的方法下，提高了电流密度集中性。电流密度越集中，非基面取向晶粒的形核速率越快，镁合金焊接接头织构强度越低，既降低了焊接时的流动应力，又提高了低温下焊接接头的综合力学性能，还提高了脉冲电流传导效率，节省了大量电能消耗。

如图1、3所示，基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备包括保护罩(3)、制冷装置(4)、气体保护装置，载流装置、绝缘装置和支撑连接架(6)。其中，保护罩(3)对绝缘连接套(1)和转子针柄架(2)部分进行了保护。制冷装置(4)由进水口连接头(5)、冷水室(22)、出水口连接头(13)构成；冷却液从进水口流入，从出水口流出，降低焊接设备运转时的温度。气体保护装置和载流装置集成在一个法兰盘(8)上。载流装置主要由定位导电针(7)、可调式弹簧定制导电针(9)、铜环(17)、铜制螺钉(18)和能够插入到待焊工件(20)内部的内置铜制导电针(16)以及铜制导流板(25)组成；气体保护装置包含两个进气孔，四个出气孔(19)，氩气保护气排出后高密度集中在搅拌针周围，使镁合金焊缝得到良好的保护。支撑连接架(6)固定在制冷装置(4)上，连接气体保护装置的法兰盘(8)，稳定设备外部结构。绝缘装置由各装置之间的绝缘板(11)、绝缘底板(24)、导电针绝缘套(26,27)、针柄绝缘套(12)和绝缘连接套(1)组成。保证设备与工作台之间、导电针与其他工件之间保持绝缘。

保护罩(3)上配有照明系统，上部与整体焊接设备通过螺栓连接，中间垫有绝缘板(11)防止电流向上流通对设备造成损坏；下部连接制冷装置(4)，对绝缘连接套(1)和转子针柄架(2)部分进行了保护。

制冷装置(4)由进水口连接头(5)、冷水室(22)、出水口连接头(13)构成；进、出水口连接头由紫铜材料制成，具有良好的导热性；焊接开始前，冷却液从进水口流入，充满整个冷水室后从出水口流出，带走了热量，降低焊接设备运转时的温度，提高了焊接设备的使用寿命。

如图1、2所示，载流装置由以下结构构成：外接电源(21)通过导线与定位导电针(7)连接，定位导电针(7)与可调式铜制弹簧定子导电针(9)连接，可调式铜制弹簧定子导电针(9)与铜环(17)动态贴合，铜环(17)所在的轴向可调针柄(14)上套有针柄绝缘套(12)，保证了输入电流无法向外导通。通入脉冲电流后，铜环(17)表面的电流将通过铜制螺钉(18)输入到内置于搅拌针(15)的铜制导电针(16)上，焊接时，内置铜制导电针(16)随搅拌针(15)共同与待焊工件(20)接触，脉冲电流高度集中于焊缝中先后通过待焊工件(20)流向铜制导流板(25)和前进侧的导电铜棒(23)最终沿导线流回电源(21)，形成闭合回路。

气体保护装置和载流装置集成在一个法兰盘(8)上。气体保护装置的两个进气孔，四个出气孔(19)均匀地分布在法兰盘(8)的上下两侧，氩气保护气排出后高密度集中在搅拌针(15)周围，组成隔绝空气的氩气气帘，使镁合金的搅拌区和热影响区获得良好保护，防止吸氢、吸氧、吸氮现象的产生，降低了焊缝缺陷，起到了一定的散热作用，优化了焊接性能。

支撑连接架(6)作为设备的核心连接装置，上端圆环固定在制冷装置(4)上，由四根支柱作为支撑同时连接下端的法兰盘(8)，将设备整体分为上下两部分，起到稳定设备外部结构的作用。同时，支撑连接架可自由拆卸，便于对设备的各零部件进行检查，节省设备制造成本，提高设备使用效率。

绝缘装置由各装置之间的绝缘板(11)、绝缘底板(24)、导电针绝缘套(26,27)、针柄绝缘套(12)和绝缘连接套(1)组成,使导电针在传导脉冲电流时减少电流分流，提高脉冲电流传导的效率。

实施例1：

以下实施例是按照本发明提供的导流方式和搅拌摩擦焊接设备来实施的，但并不用于限制本发明。

例1：采用本导流方式，载流搅拌摩擦焊接5mm厚的AZ31B镁合金板，焊接工艺参数如下：采用外接电源输入脉冲电流，输入电压为220V，幅值160A，脉冲频率0.5—200Hz，脉冲占空比10％—90％，搅拌针转速为800—1300rpm，焊接速度50—80mm/min。根据实际焊接对象和材料对焊接工艺参数展开优化工作，考虑外加辅助电流对焊接热输入的影响及辅助电流对焊接工艺参数的影响。其中载流后焊接接头沿厚度方向微观组织结构更加均匀，织构分布明显弱化，同时抗拉强度提升了7％左右，延伸率达到母材的95％以上。

本发明的保护范围由权利要求书限定。确定焊接规范本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法，其特征在于，在焊接过程中，内置铜制导电针(16)插入搅拌针内部，通过铜制螺钉(18)定位夹紧；搅拌针(15)垂直固定于轴向可调针柄(14)；轴向可调针柄(14)外侧由铜环(17)和针柄绝缘套(12)包裹，并垂直固定转子针柄架(2)；铜制导流板(25)镶嵌于绝缘底板(24)中，并与导电铜棒(23)接触；焊接开始前，主轴带动插有铜制导电针(16)的搅拌针(15)高速转动压入待焊工件(20)，静轴肩(10)与工件表面紧密接触，防止焊接时产生的塑性材料挤出形成飞边；待搅拌针(15)完全深入母材后，闭合电源，接入脉冲电流；外接电源(21)输入的脉冲电流依次通过定位导电针(7)、可调式铜制弹簧定子导电针(9)、轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)、铜制螺钉(18)、内置铜制导电针(16)，然后流经焊接工件(20)、铜制导流板(25)、前进侧的导电铜棒(23)最后回到外接电源(21)形成闭合回路；输入的高密度脉冲电流在内置铜制导电针的作用下集中通过镁合金待焊工件(20)，并且从前进侧流回电源，所述待焊工件(20)在脉冲电流产生电流热效应和电塑性效应的共同作用下完成焊接。

2.如权利要求1所述的基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法，其特征在于，通电后可调式铜制弹簧定子导电针(9)在弹簧和定位导电针(7)的作用下与轴向可调针柄(14)外侧的铜环(17)动态贴合从而导通脉冲电流。

3.如权利要求1所述的基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的方法，其特征在于，铜环(17)和铜制螺钉(18)高效传导脉冲电流集中于安装在搅拌针(15)内部的铜制导电针(16)，铜制导电针(16)随搅拌针共同深入到待焊工件(20)当中，输出高密度脉冲电流作用于焊缝中。

4.一种基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备，其特征在于，包括保护罩(3)、制冷装置(4)、气体保护装置，载流装置、绝缘装置和支撑连接架(6)；其中，保护罩(3)上配有照明系统，上部与整体焊接设备通过螺栓连接，下部连接制冷装置(4)，对绝缘连接套(1)和转子针柄架(2)部分进行了保护；制冷装置(4)由进水口连接头(5)、冷水室(22)、出水口连接头(13)构成；冷却液从进水口流入，从出水口流出，降低焊接设备运转时的温度；气体保护装置和载流装置集成在一个法兰盘(8)上；载流装置由定位导电针(7)、可调式弹簧定制导电针(9)、铜环(17)、铜制螺钉(18)和能够插入到待焊工件(20)内部的内置铜制导电针(16)以及铜制导流板(25)组成；气体保护装置包含两个进气孔，四个出气孔(19)，氩气保护气排出后高密度集中在搅拌针周围，使镁合金焊缝得到良好的保护；支撑连接架(6)固定在制冷装置(4)上，连接气体保护装置的法兰盘(8)，稳定设备外部结构。绝缘装置由各装置之间的绝缘板(11)、绝缘底板(24)、导电针绝缘套(26,27)、针柄绝缘套(12)和绝缘连接套(1)组成；保证设备与工作台之间、导电针与其他工件之间保持绝缘。

5.如权利要求4所述的基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备，其特征在于，支撑连接架(6)可进行拆卸组装。

6.如权利要求4所述的基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备，其特征在于，气体保护装置在法兰盘(7)底部存在气体通道，保护气高密度集中排出时可对导电针与搅拌针起到少量冷却作用。

7.如权利要求4所述的基于载流静轴肩弱化镁合金搅拌摩擦焊接接头织构的设备，其特征在于，绝缘装置均由聚甲醛树脂POM材料制成。

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