CN111805106A - 一种搅拌感应焊接方法及搅拌头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种感应搅拌焊接方法及搅拌头。其特征在于，用于焊接的感应搅拌头内部设置有感应线圈，焊接时感应线圈与焊接电源接通，感应搅拌头轴线与被焊工件表面的法线保持夹角，旋转或不旋转插入焊接工件一定深度后并沿着焊缝方向移动，距离感应线圈较近的母材在感应加热集肤效应作用下，局部被快速加热到一定温度，使之达到塑性或熔化状态，同时在搅拌头的机械搅拌作用下实现金属连接。感应搅拌头至少包括轴肩、搅拌针和感应线圈等组成，轴肩、搅拌针的材料为非导磁材料，感应线圈内置于轴肩和搅拌针内部。本发明利用感应加热的具有集肤效应，克服了搅拌摩擦焊顶锻压力大的缺点，其结构简单，操作方便，焊接质量高，具有较大的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于一种电磁感应技术在焊接领域的应用，尤其涉及一种搅拌感应焊接方法及搅拌头。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，通过摩擦使工件加热塑化，并在搅拌头机械搅拌作用下实现工件间的金属连接。与传统的焊接方法相比，具有优质、低耗、变形小、无污染等特点。但搅拌摩擦焊是一种利用摩擦热实现焊接的技术，焊接顶锻压力大，故焊接设备笨重，工装夹具复杂，不便于焊接操作，也不便于复杂焊缝的应用，目前该技术主要应用于铝合金、镁合金等有色金属的焊接。
电磁感应加热，简称为感应加热，其加热过程为：金属工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，工件内感应电流，由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流，涡流将电能变成热能。感应加热具有工件的表面加热快的特点，也称为集肤效应。这主要因为涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过，频率越高，电流渗透深度越小。电磁感应加热具有无电弧强光、绿色环保的优点，但在焊接领域其应用并不广泛，主要应用于感应钎焊和高频焊等领域。
发明内容
发明目的
本发明提供了一种感应搅拌焊接方法及搅拌头，针对摩擦热需要顶端压力大的不足，采用感应加热替代摩擦加热工件，充分利用感应加热的具有集肤效应的特点，克服了搅拌摩擦焊顶锻压力大的缺点，将“搅拌+摩擦”的焊接方式改进为“搅拌+感应”焊接方式。
技术方案
本发明通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种感应搅拌焊接方法，其特征在于，用于焊接的感应搅拌头内部设置有感应线圈，焊接时感应线圈与焊接电源接通，搅拌头轴线与被焊工件表面的法线保持夹角，旋转或不旋转插入焊接工件一定深度后并沿着焊缝方向移动，距离感应线圈较近的母材在感应加热集肤效应作用下，局部被快速加热到一定温度，使之达到塑性或熔化状态，同时在搅拌头的机械搅拌作用下实现金属连接。
所述的搅拌感应焊接方法可用于工件间接头形式至少包括对接接头、搭接接头、T形接接头、角接接头和点焊接头。
所述的焊接电源类型至少包括交流电流、脉动电流，电流频率至少包括高频、中频、工频。
本发明提供了一种感应搅拌焊接用的感应搅拌头。其特征在于，感应搅拌头结构至少包括轴肩、搅拌针和感应线圈。轴肩上部分与一个动力源连接，如机床的主轴（图中未标出）相连，轴肩下表面与搅拌针相连，感应线圈布置在轴肩和搅拌针内部且距焊缝较近的表面，便于感应加热焊缝母材，感应线圈通过搅拌头内置的导线与焊接电源连接。
所述轴肩、搅拌针的材料为非金属材料，至少包括陶瓷、玻璃、氧化铝、碳纤维，感应线圈为金属材料或其他导电材料。
所述感应线圈对轴肩、搅拌针不产生感应电流，仅对线圈附近的母材产生感应电流，从而直接对母材进行感应加热。
所述感应搅拌头的轴肩底面具有凹面形状，轴肩结构可为单轴肩和双轴肩。
所述的搅拌针表面具有螺纹、沟槽形状，可增加焊缝金属的流动性。
所述搅拌针的横截面形状至少包括圆形、三角形、矩形、多边形、梅花形。
本发明的优点和效果
本发明将感应加热和搅拌摩擦焊的优点综合起来，保留了搅拌摩擦焊在焊缝成形和焊接质量方面的优点，也利用了电磁感应的集肤效应直接加热被焊工件，具有能量利用效率高和加热快的优点。本发明克服了搅拌摩擦焊需要焊接顶锻压力大的缺点，因此本发明具有焊接质量高，设备、工装夹具轻巧简单，便于焊接操作和复杂焊缝的应用。
附图说明
图1为嵌入式感应搅拌头结构示意图，其中：1、轴肩，2、搅拌针，3、轴肩线圈,4、搅拌针线圈。
图2为可拆式感应搅拌头结构示意图， 其中：1、轴肩，2、搅拌针，3、轴肩线圈,4、搅拌针线圈。
图3为双轴肩感应搅拌头结构示意图, 其中：5、双轴肩，6、搅拌针，7、上轴肩线圈,8、搅拌针线圈，9、下轴肩线圈。
图4为搅拌针表面的沟槽螺纹结构示意图，其中：10、沟槽，11、螺纹。
图5为搅拌针横截面形状示意图，其中：图5a）为圆形，图5b）为三角形，图5c）为矩形，图5d）为n边形，其中n≥3，图5e）为梅花形。
图6为搅拌感应焊工作原理示意图，其中：ω：搅拌头的转速，ω≥0。V：焊接速度，V≥0。h：被焊母材厚度，θ：搅拌头轴线与母材法线的夹角，t:轴肩后沿压入母材深度。
具体实施方式
以下通过实施案例对本发明的技术方案进行说明，但下述案例并不能限制本发明的保护范围。
本发明所用的感应搅拌头至少由轴肩、搅拌针和感应线圈组成。本发明提供了三种不同结构形式的感应搅拌头，分别为：嵌入式、可拆式和双轴肩感应搅拌头。其中图1为嵌入式感应搅拌头结构示意图，图2为可拆式感应搅拌头结构示意图，图3为双轴肩感应搅拌头结构示意图。嵌入式和可拆式感应搅拌头结构至少包括轴肩1、搅拌针2和感应线圈3、4。双轴肩搅拌头至少由轴肩5、搅拌针6、上轴肩感应线圈7、搅拌针感应线圈8和下轴肩感应线圈9组成。以嵌入式、可拆式感应搅拌头为例，阐述搅拌感应焊工作原理，双轴肩感应搅拌头与其类似。
轴肩1上部分与一个动力源连接，如机床的主轴（图中未标出）相连，轴肩1下表面与搅拌针2相连。嵌入式和可拆式感应搅拌头的轴肩1和搅拌针2内部布置有感应线圈3、4，线圈应布置在距焊缝母材较近的表面，便于感应加热母材，感应线圈通过导线（图中未示出）与焊接电源相连。嵌入式感应搅拌头的感应线圈嵌入在轴肩1、搅拌针2内，焊接时随轴肩1、搅拌针2一起转动；可拆式感应搅拌头的感应线圈分布在轴肩1、搅拌针2内腔，可随轴肩1、搅拌针2一起转动，也可不随轴肩1、搅拌针2转动，根据焊接工件不同感应线圈可以拆换。
与感应线圈相连的焊接电源类型可为交流电源、脉冲电源等，电流的频率至少包括高频、中频和工频。电流频率越高，感应加热的集肤效应越显著，感应线圈附近母材的加热速度越快，因此高频交流电是一种适合的焊接电源。
感应搅拌头的轴肩1底面具有凹面形状。
如图4所示搅拌针2表面具有螺纹10、沟槽11形状，可增加焊缝金属的流动性。
如图5所示，搅拌针2的横截面形状至少包括圆形、三角形、矩形、多边形、梅花形。
轴肩1、搅拌针2的材质为非金属材料，如陶瓷、玻璃、氧化铝、碳纤维等。感应线圈3、4的材质为金属材料或其他导电材料。焊接时，感应线圈3、4对轴肩1、搅拌针2不产生感应电流，仅对线圈附近的母材产生感应电流，从而直接对母材进行感应加热。
一种搅拌感应焊方法工作原理如图6所示，用于焊接的感应搅拌头内部设置有感应线圈，焊接时感应线圈与焊接电源接通，搅拌头轴线与被焊工件表面的法线保持夹角，旋转或不旋转插入焊接工件一定深度后并沿着焊缝方向移动，距离感应线圈较近的母材在感应加热集肤效应作用下，局部被快速加热到一定温度，使之达到塑性或熔化状态，同时在搅拌头的机械搅拌作用下实现金属连接。依据感应搅拌头的运动过程，可将搅拌感应焊方法的工作流程可分为分为插入、焊接、收尾等3个步骤，具体步骤要求如下。
步骤1、插入过程
用所述感应搅拌头焊接工件，焊接时感应线圈3、4与焊接电源接通，搅拌头轴线与被焊工件表面的法线保持夹角θ，搅拌头按转速ω（转速ω≥0）转动并插入焊接工件一定深度t，其中t为轴肩后沿压入母材的深度。在搅拌头插入过程，感应加热线圈附近的母材使之达到塑性或熔化状态，因此插入过程的阻力较搅拌摩擦焊小。
步骤2、焊接过程
压入焊接工件一定深度t后，感应搅拌头以一定转速ω（转速ω≥0），同时以一定的速度v（转速v≥0）沿着焊缝方向运动。在焊接过程中，感应线圈加热附近的母材使之达到塑性或熔化状态，同时搅拌针对焊缝金属搅拌挤压。在感应热和搅拌的双重作用下，形成致密的焊缝。
步骤3、收尾
当到达焊缝末端，感应搅拌头停止沿焊缝方向运动，同时向上提起，感应线圈3、4与焊接电源断开，完成焊接。
Claims (9)
1.本发明提供了一种感应搅拌焊接方法，其特征在于，用于焊接的感应搅拌头内部设置有感应线圈，焊接时感应线圈与焊接电源接通，搅拌头轴线与被焊工件表面的法线保持夹角，旋转或不旋转插入焊接工件一定深度后并沿着焊缝方向移动，距离感应线圈较近的母材在感应加热集肤效应作用下，局部被快速加热到一定温度，使之达到塑性或熔化状态，同时在搅拌头的机械搅拌作用下实现金属连接。
2.根据权利1所述的搅拌感应焊接方法可用于工件间接头形式至少包括对接接头、搭接接头、T形接接头、角接接头和点焊接头。
3.根据权利1所述的焊接电源类型至少包括交流电流和脉动电流，电流频率至少包括高频、中频和工频。
4.根据权利1所述的感应搅拌头结构至少包括轴肩、搅拌针和感应线圈。
5.根据权利4所述的感应线圈布置在轴肩和搅拌针内部且距焊缝较近的表面，便于感应加热焊缝母材，所述感应线圈通过搅拌头内置的导线与焊接电源连接。
6.根据权利4所述轴肩、搅拌针的材料为非金属材料，至少包括陶瓷、玻璃、氧化铝、碳纤维，感应线圈为金属材料或其他导电材料，由此感应线圈对轴肩、搅拌针不产生感应电流，仅对线圈附近的母材产生感应电流，从而直接对母材进行感应加热。
7.根据权利4所述感应搅拌头的轴肩底面具有凹面形状，轴肩结构可为单轴肩和双轴肩。
8.根据权利4所述的搅拌针表面具有螺纹、沟槽形状，可增加焊缝金属的流动性。
9.根据权利4所述搅拌针的横截面形状至少包括圆形、三角形、矩形、多边形、梅花形。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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