CN111843172A - 一种填丝搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种填丝搅拌摩擦焊接方法，包括下述步骤：准备带键槽工作台、准备背面垫板、准备焊接母材坡口、加工填充材料、组装填充材料及母材、调整搅拌头位置及搅拌摩擦焊；本发明通过在焊件背面设置特定形状填丝材料，在搅拌摩擦焊接过程中使填充材料参与焊缝的组成，并形成背面焊缝具有一定圆滑过渡增厚形状。在焊缝的正面对接间隙内设置特定材料成分的填充材料使其参与搅拌摩擦焊缝的组成，获得焊缝金属成分调节以实现接头强度补偿。
Description
技术领域
本发明属于有色金属的焊接技术，具体涉及一种填丝搅拌摩擦焊接方法，主要应用于轨道交通、航空航天、电力电子、汽车轻量化制造等制造业领域。
背景技术
焊接是材料加工连接的最主要技术，对于不同的材料其焊接性能是不同的，轻量化有色金属铝、镁等材料因氧化膜、变形、强度失效等问题在采用电弧焊时焊接性是较差的。因此在一些重要的结构体制造时也是尽可能避免采用电弧焊接，如飞机制造。但是自1991年英国焊接研究所发明搅拌摩擦焊接以来，这种局面得到了改善。搅拌摩擦焊接是一种机械焊接过程中，焊接时接头质量好，操作环境好，工艺过程比较简单，焊接过程中不需要添加焊丝，焊缝金属的化学成分与母材保持一致。但是，在焊接后也存在一定的缺点，那就是与电弧焊相比，焊缝部位存在减薄问题和根部弱连接。减薄问题的存在势必影响到焊接接头的整体强度，为此很多研究人员都在积极探索解决方法，如专利申请号为201910212166.2提出的利用方案是利用消耗式搅拌头解决减薄问题，专利申请号201811236412.X提出采用零倾角恒压力实现零减薄，还有采用静止轴肩实现零减薄的办法。根部弱连接可以采用双面焊接或采用单面焊双面成形的办法解决，如专利200810202856.1提出的加垫板和2015102768.1提出的加软垫板，这两种专利方法通过垫板保证了搅拌针穿透工件背面消除了根部弱连接，在焊接过程中垫板未参与焊缝的组成。也有人通过正面填充丝实现焊缝增高或不减薄，如专利201210520645.9通过实现氩弧焊填丝焊接来实现增高，而专利201810149075.4则是通过专用机构进行冷填丝实现增高。上述方法对焊缝减薄都起到了一定的作用，但是还存在一定的局限性。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种填丝搅拌摩擦焊接方法，解决了搅拌摩擦焊焊缝减薄问题。
本发明的技术方案包括下述步骤：
步骤1，首先准备带键槽工作台，工作台尺寸以满足焊接件尺寸大小确定，键槽尺寸为宽40～50mm，深度为8～10mm，长度根据焊接件长度而定，键槽作用是放置背面垫板；
步骤2，准备背面垫板，背面垫板尺寸和键槽相匹配，两者以间隙配合；
步骤3，准备焊接母材坡口，在母材上、下表面加工出相应坡口，要求上表面坡口填充材料后上表面保持平齐，下表面坡口填充材料并放置工件于垫板后工件保持平整；
步骤4，加工填充材料，根据母材上、下表面坡口形状，加工出与之匹配的填充材料形状；
步骤5，组装填充材料及母材，首先将下填充材料放置于背面垫板中，组对放置带坡口的母材，使下填充材料准确放置入坡口内，再将上填充材料放置入母材上坡口内，施加横向组对力使母材与上填充材料贴紧，间隙配合，然后给母材加载垂直压紧力保持母材平整；
步骤6，调整搅拌头位置使搅拌针轴心与上表面填充材料中线对中；
步骤7，启动搅拌摩擦焊机并调整使其达到设定转速后缓慢送进搅拌头使其与母材接触进行摩擦产热，随着搅拌头与母材摩擦进行沉入，填充材料和母材温度逐渐升高进而达到塑性化，保持8-15秒，待焊接区域填充材料及母材完全塑性化后搅拌头开始移动进行焊接；
步骤8，焊接终点后，停止搅拌头移动并抬起搅拌头，然后关停搅拌头电机动力。
所述的步骤2中，背面垫板和键槽间隙公差为0.1mm，背面垫板长度比焊件长10mm，
背面垫板的截面形状为半椭圆形凹槽。
所述的步骤4中，上填充材料为截面形状呈矩形的长矩形条，上填充材料厚度为(1/2～1/3)φ3，φ3为搅拌针尾段直径；宽度为（1/2～1/3）δ，δ为焊接母材板厚，下填充材料的截面形状为矩形主体的顶端呈倒置的V形，矩形主体的底端为半椭圆形凸起，下填充材料的金属截面量为2.7～5mm2。
所述的步骤6中，搅拌头由加持段、轴肩和搅拌针构成，搅拌针由尾段、中间段和顶端依次呈阶梯型设置构成，搅拌针顶端直径φ1=4mm，搅拌针顶端长度L1=1.5mm；搅拌针中间段直径φ2=(1.2～1.25)C1，C1为下填充材料的截面宽度，搅拌针中间段长度L2=H1+H2，H1为下填充材料矩形主体的高度，H2为下填充材料倒置V形顶端的高度;搅拌针总长度L3=δ+1，δ为焊接母材板厚，搅拌针尾段直径φ3=（1.2～1.5）φ2，搅拌头轴肩直径φ4=（2.5～3）*φ3。
本发明的优点效果如下：
本发明通过在焊件背面设置特定形状填丝材料，在搅拌摩擦焊接过程中使填充材料参与焊缝的组成，并形成背面焊缝具有一定圆滑过渡增厚形状。在焊缝的正面对接间隙内设置特定材料成分的填充材料使其参与搅拌摩擦焊缝的组成，获得焊缝金属成分调节以实现接头强度补偿。具体体现为，
（1）解决了搅拌摩擦焊接焊缝减薄问题，本发明依据电弧焊焊缝存在余高形状的特征提出一种通过背面焊缝形状补偿形式来抵消焊缝减薄，具体就是通过设计背面垫板的形状实现具有焊缝背面余高来对焊缝进行厚度补偿。
（2）针对焊缝金属成分调节，本发明提出通过在焊接对口间隙内预设填充合金材料，在搅拌摩擦焊接加热下使填充材料产生塑性破碎与母材金属混合在一起实现焊缝金属。填充合金材料可以根据成分需要调节的部位设置在不同位置。一般设置在上下表面位置，这样焊后接头的上下表面强度略高于芯部。
（3）本发明采用阶梯型搅拌头，并合理设置了尺寸参数，使背部填充焊丝得到充分的摩擦加热并使其能够与母材很好地融合在一起。
（4）突破了搅拌摩擦焊接上下面无法都存在余高的难题。通过设计背面垫板形式使焊缝背面产生一定的余高。根据电弧焊时焊缝背面余高的合理形状等同设计搅拌摩擦焊接后的余高量及宽度，设计搅拌摩擦焊接相应的垫板形状及焊件背面对接处的坡口形状及尺寸和填丝材料形状使其最终形成合适的背部余高。为满足这一形式在焊接时需要综合考虑搅拌针的直径与长度，保证轴肩距离工件背表面0.5～1mm，搅拌针扎入到填充焊材中心线下0.5mm左右。
附图说明
图1为本发明焊接原理示意图。
图2为本发明背面垫板结构示意图。
图3为本发明上填充材料结构示意图。
图4为本发明下填充材料结构示意图。
图5为本发明搅拌头结构示意图。
图中，1、搅拌头；2、上填充材料；3、焊接试板；4、下填充材料；5、背面垫板；6、工作台，7、加持段，8、轴肩，9、搅拌针。
具体实施方式
实施例
以20mm厚度板材为例，一种填丝搅拌摩擦焊接方法包括下述步骤：
1）首先准备带键槽工作台，工作台尺寸以满足焊接件尺寸大小确定，键槽尺寸为宽40～50mm，深度为8～10mm，长度根据焊接件长度而定，键槽作用是放置背面垫板。
2）准备背面垫板，背面垫板尺寸和键槽相匹配，两者以间隙配合，间隙公差为0.1mm。背面垫板长度根据焊件而定，比焊件长10mm。背面成型凹槽尺寸见附图2，C3=40～50mm；H3=8～10mm;C2=5～6mm；H4=0.8～1.2mm;R1=8.6～8.7mm。
3）准备焊接母材坡口，在母材上表面加工出截面为矩形的矩形坡口，母材下表面加工出倒置的V形坡口，要求上表面坡口填充材料后上表面保持平齐，下表面坡口填充材料并放置工件于垫板后工件保持平整。
4）加工填充材料，根据母材上、下表面坡口形状，加工出与之匹配的填充材料形状；上填充材料为截面形状呈矩形的长矩形条，上填充材料厚度为(1/2～1/3)φ3，φ3为搅拌针尾段直径；宽度为（1/2～1/3）δ，δ为焊接母材厚度，下填充材料的截面形状为矩形主体的顶端呈倒置的V形，矩形主体的底端为半椭圆形凸起，下填充材料的金属量为2.7～5mm2。
5）组装填充材料及母材，首先将下填充材料放置于背面垫板中，组对放置带坡口的母材，使下填充材料准确放置入坡口内，再将上填充材料放置入母材上坡口内，施加横向组对力使母材与上填充材料贴紧，间隙配合，然后给母材加载垂直压紧力保持母材平整。
6） 调整搅拌头位置使搅拌针轴心与上表面填充材料中线对中。搅拌头如图4所示，由加持段7、轴肩8和搅拌针9构成，搅拌针由尾段、中间段和顶端依次呈阶梯型设置构成，搅拌针顶端直径φ1=4mm，搅拌针顶端长度L1=1.5mm；搅拌针中间段直径φ2=(1.2～1.25)C1，C1为下填充材料的截面宽度，搅拌针中间段长度L2=H1+H2，H1为下填充材料矩形主体的高度，H2为下填充材料倒置V形顶端的高度;搅拌针总长度L3=δ+1，δ为焊接母材厚度，搅拌针尾段直径φ3=（1.2～1.5）φ2，搅拌头轴肩直径φ4=（2.5～3）*φ3。夹持段直径φ5=1.5*φ3，夹持段长度L5=50～100mm，搅拌轴肩长度L4=20mm。
7） 启动搅拌摩擦焊机并调整使其达到设定转速后缓慢送进搅拌头使其与母材接触进行摩擦产热，随着搅拌头与母材摩擦进行沉入，填充材料和母材温度逐渐升高进而达到塑性化，保持10秒，待焊接区域填充材料及母材完全塑性化后搅拌头开始移动进行焊接。
8） 焊接终点后，停止搅拌头移动并抬起搅拌头，然后关停搅拌头电机动力。
应用实施例：
以纯铝1060，10mm厚度板宽度100mm，长度200mm为例；焊接上表面的上填充材料形状如图3所示，截面尺寸为0.2*5mm，下表面填充材料形状如图4所示，H1为2mm，H2为1mm，H4为0.5mm，C1为3.5mm，α为60°，R2为8mm,填料材质为4047。
焊接主轴转速1200r/min,焊接速度100mm/min。
Claims (4)
1.一种填丝搅拌摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，首先准备带键槽工作台，工作台尺寸以满足焊接件尺寸大小确定，键槽尺寸为宽40～50mm，深度为8～10mm，长度根据焊接件长度而定，键槽作用是放置背面垫板；
步骤2，准备背面垫板，背面垫板尺寸和键槽相匹配，两者以间隙配合；
步骤3，准备焊接母材坡口，在母材上、下表面加工出相应坡口，要求上表面坡口填充材料后上表面保持平齐，下表面坡口填充材料并放置工件于垫板后工件保持平整；
步骤4，加工填充材料，根据母材上、下表面坡口形状，加工出与之匹配的填充材料形状；
步骤5，组装填充材料及母材，首先将下填充材料放置于背面垫板中，组对放置带坡口的母材，使下填充材料准确放置入坡口内，再将上填充材料放置入母材上坡口内，施加横向组对力使母材与上填充材料贴紧，间隙配合，然后给母材加载垂直压紧力保持母材平整；
步骤6，调整搅拌头位置使搅拌针轴心与上表面填充材料中线对中；
步骤7，启动搅拌摩擦焊机并调整使其达到设定转速后缓慢送进搅拌头使其与母材接触进行摩擦产热，随着搅拌头与母材摩擦进行沉入，填充材料和母材温度逐渐升高进而达到塑性化，保持8-15秒，待焊接区域填充材料及母材完全塑性化后搅拌头开始移动进行焊接；
步骤8，焊接终点后，停止搅拌头移动并抬起搅拌头，然后关停搅拌头电机动力。
2.根据权利要求1所述的一种填丝搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的步骤2中，背面垫板和键槽间隙公差为0.1mm，背面垫板长度比焊件长10mm，背面垫板的截面形状为半椭圆形凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种填丝搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的步骤4中，上填充材料为截面形状呈矩形的长矩形条，上填充材料厚度为(1/2～1/3)φ3，φ3为搅拌针尾段直径；宽度为（1/2～1/3）δ，δ为焊接母材板厚，下填充材料的截面形状为矩形主体的顶端呈倒置的V形，矩形主体的底端为半椭圆形凸起，下填充材料的金属截面量为2.7～5mm2。
4.根据权利要求1所述的一种填丝搅拌摩擦焊接方法，其特征在于所述的步骤6中，搅拌头由加持段、轴肩和搅拌针构成，搅拌针由尾段、中间段和顶端依次呈阶梯型设置构成，搅拌针顶端直径φ1=4mm，搅拌针顶端长度L1=1.5mm；搅拌针中间段直径φ2=(1.2～1.25)C1，C1为下填充材料的截面宽度，搅拌针中间段长度L2=H1+H2，H1为下填充材料矩形主体的高度，H2为下填充材料倒置V形顶端的高度;搅拌针总长度L3=δ+1，δ为焊接母材板厚，搅拌针尾段直径φ3=（1.2～1.5）φ2，搅拌头轴肩直径φ4=（2.5～3）*φ3。
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