CN112475587A - 一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接装置及方法，具体涉及一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置及方法，为了解决现有搅拌摩擦焊接装置难以对焊缝下面进行保护，导致焊缝下面在成形和冷却过程中与空气组分发生反应造成接头性能降低的问题，本发明通过设计开有凹槽及通孔的支撑底座和尺寸较小的取代传统背部垫板的支撑凸台，使保护气能够直接作用于焊缝背部，解决了钛及钛合金等高温金属搅拌摩擦焊接过程中焊缝背部缺乏保护以及背部保护难以施加的问题，同时支撑凸台后方的焊缝背部悬空，可减少热量散失，提高焊缝对称性，还可使用针长大于待焊工件厚度的搅拌头搭配上方开有盲孔的支撑凸台，实现穿透焊接，获得保护良好的优质高强接头。

Description

一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接装置及方法，具体涉及一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置及方法，属于焊接技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是于20世纪90年代初最先提出并进行研究的一种固相连接方法，因具有简单、优质、高效、环保以及自动化等诸多方面的优越性，已广泛应用于航空、航天、船舶、轨道列车等行业，其中钛及钛合金等高熔点材料逐渐成为搅拌摩擦焊的研究热点。与低熔点材料不同的是，高熔点材料在高温下才能塑化并实现焊接，焊接过程中需防止被焊材料与空气中的组分反应而影响焊接质量，对于活性较强的钛及钛合金更是如此。
目前国内已有不少关于钛及钛合金搅拌摩擦焊接过程保护的专利公布，但均为焊缝正面保护，未见针对焊缝背部保护的装置或方法面世。这是由于，一方面，搅拌摩擦焊接过程中待焊工件与焊接工作台紧密接触，一般认为焊缝背部不与空气直接接触；另一方面，待焊工件背部需有实体结构支撑，以承担焊接过程中较大的轴向载荷，这导致背部保护难以有效施加。而实际焊接过程中，待焊工件与焊接工作台之间总会有少量空气残留，焊后能在焊缝背部观察到焊缝金属与空气组分反应生成的产物，热输入增大时，反应更为剧烈，接头力学性能下降更为严重。因此，发明相应的焊接装置及方法以解决钛及钛合金等高温金属搅拌摩擦焊接过程中焊缝背部保护不良这一难题具有极其重要价值。
发明内容
发明目的：本发明为了解决现有搅拌摩擦焊接装置难以对焊缝下面进行保护，导致焊缝下面在成形和冷却过程中与空气组分发生反应造成接头性能降低的问题，本发明提出一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置及方法。
本发明是通过以下方案实施的：一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，它包括焊机、焊接工作台、支撑凸台、支撑底座、移动支撑台；
所述支撑底座和移动支撑台设置在焊接工作台上，焊机设置在支撑底座的上方，所述焊机焊头位置处设有搅拌头，搅拌头外部设有上气气罩；
所述支撑底座上方中部开有横截面为矩形的凹槽；支撑凸台设置在凹槽的中部，支撑底座的左侧壁和右侧壁高度相等；支撑底座的左侧壁旁边设置一个移动支撑台；支撑底座的右侧壁旁边设置另一个移动支撑台；支撑底座的前侧壁处开有通孔。
进一步地，所述支撑底座凹槽前侧壁和后侧壁高度相等，前侧壁高度高于左侧壁，且前侧壁上的通孔为两个。
再进一步地，所述支撑底座的凹槽中心开有圆形盲孔一，盲孔的轴线垂直于支撑底座下表面；
所述支撑凸台包括支撑段和装配端，所述支撑段和装配段的横截面均为圆形，支撑段的横截面直径大于装配段的横截面直径，装配段的横截面直径小于支撑底座凹槽中心的盲孔的直径，装配段长度小于支撑底座凹槽中心盲孔的深度；装配段插入设置在盲孔一中。
进一步地，支撑凸台的装配段的上方中心开有圆形盲孔二。
再进一步地，所述移动支撑台包括装夹盖板、滑动底座和直线导轨；
所述直线导轨沿焊接方向设置在支撑底座的一侧，滑动底座设置在直线导轨的上方，且与直线导轨滑动连接，装夹盖板的一端设置在滑动底座的上方，装夹盖板的另一侧搭在相邻的滑动底座的侧板上。
进一步地，所述装夹盖板的上端面比支撑底座的前侧壁高1-5mm，所述装夹盖板的下端面比支撑底座的左侧壁高1-5mm。
一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将支撑底座安装在焊接工作台上；
根据支撑底座中部盲孔一的轴线和焊接方向确定一个平面，将支撑底座以该平面为基准对称的安装在焊接工作台上，支撑底座的卡设有通孔的前侧壁沿焊接方向放置在焊接方向的停止端；
步骤二：将两个移动支撑台对称的安装在支撑底座两侧；
将两个直线导轨放置于支撑底座的外侧，并放置在焊接工作台上，每个直线导轨均使其长度方向沿焊接方向设置；将每个滑动底座安装在一个直线导轨上，调整直线导轨至滑动底座的滑动轨迹与焊接方向平行，将直线导轨在焊接工作台上进行固定；将装夹盖板沿焊接方向对称固定在滑动底座上；
步骤三：选取支撑凸台并安装；
将焊接机的搅拌头的针长与待焊工件的厚度进行对比，当焊接机的搅拌头的针长大于待焊工件的厚度时，选取带有盲孔二的支撑凸台，当焊接机的搅拌头的针长小于待焊工件的厚度时，选取顶端面为平面的支撑凸台，将选取好的支撑凸台的装配段插入支撑底座的盲孔一中：
步骤四：将待焊工件准备至待焊状态；
去除待焊工件表面的氧化膜；使用丙酮擦拭待焊工件的表面以及支撑凸台支撑段的上表面；
步骤五：在焊接装置上固定待焊工件；
拨动滑动底座，使每个滑动底座均位于焊接方向起始端，将待焊工件固定在装夹盖板上方；
步骤六：调试焊接装置及焊接机；
将搅拌头安装在焊机上，将上部气罩安装在搅拌头的外侧，使上部气罩、搅拌头和支撑凸台处于同一条轴线上，调整搅拌头的倾角并根据选定的焊接工艺参数编写焊接程序；
步骤七：将支撑底座的凹槽内充入保护气；
将保护气管接入上部气罩及支撑底座凹槽侧壁的通孔中，打开保护气阀门，使一部分保护气经保护罩滞留在待焊工件的上方，使另一部分保护气经过上部气罩途径保护气管进入支撑底座的凹槽中，；
步骤八：将待焊工件进行焊接；
启动焊机开启搅拌头进行搅拌摩擦焊接，同步推动两个支撑底座，使待焊工件沿焊接方向移动。
优选地，所述步骤七中打开保护气阀门与步骤八中启动焊机的时间间隔为5s-30s。
进一步地，所述步骤三中选取支撑凸台的支撑段的直径比搅拌头的轴肩直径大。
再进一步地，所述步骤三中当焊接机的搅拌头的针长大于待焊工件的厚度时，选取的支撑凸台的盲孔二的深度比搅拌头的针长与待焊工件厚度的差值大；选取的支撑凸台的盲孔二的直径比搅拌头的针的直径大。
有益效果：
本发明通过设计开有凹槽及通孔的支撑底座和尺寸较小的取代传统背部垫板的支撑凸台，使保护气能够直接作用于焊缝背部，解决了钛及钛合金等高温金属搅拌摩擦焊接过程中焊缝背部缺乏保护以及背部保护难以施加的问题，同时支撑凸台后方的焊缝背部悬空，可减少热量散失，提高焊缝对称性，还可使用针长大于待焊工件厚度的搅拌头搭配上方开有盲孔的支撑凸台，实现穿透焊接，获得保护良好的优质高强接头。
使用直径略大于搅拌头轴肩的支撑凸台取代传统背部垫板，承受焊接轴向载荷，设计开有凹槽及通孔的支撑底座，保护气通过通孔进入支撑底座的凹槽，包围支撑凸台并直接作用于焊缝背部，提供有效保护，获得上下双面保护良好的钛及钛合金等高温金属搅拌摩擦焊接头。
附图说明
图1是本发明焊缝上下双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置的横截面示意图；
图2是本发明焊缝上下双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置的纵截面示意图；
图3是本发明焊缝上下双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置中支撑凸台和支撑底座的示意图；
图4是使用针长小于待焊工件厚度的搅拌头，在本发明焊缝上下双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置上进行焊接时，搅拌头、待焊工件和支撑凸台之间的相对位置示意图；
图5是使用针长大于待焊工件厚度的搅拌头，在本发明焊缝上下双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置上进行焊接时，搅拌头、待焊工件和支撑凸台之间的相对位置示意图；
其中1为支撑凸台，2为支撑底座，3为装夹盖板，4为滑动底座，5为直线导轨，6为焊接工作台，7为搅拌头，8为待焊工件，9为上部气罩。
具体实施方式
具体实施方式一：一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，它包括焊机、焊接工作台6、支撑凸台1、支撑底座2、移动支撑台；
所述支撑底座2和移动支撑台设置在焊接工作台6上，焊机设置在支撑底座2的上方，所述焊机焊头位置处设有搅拌头7，搅拌头4外部设有上气气罩9；
所述支撑底座2上方中部开有横截面为矩形的凹槽；支撑凸台1设置在凹槽的中部，支撑底座2的左侧壁和右侧壁高度相等；支撑底座2的左侧壁旁边设置一个移动支撑台；支撑底座2的右侧壁旁边设置另一个移动支撑台；支撑底座2的前侧壁处开有通孔。
具体实施方式二：所述支撑底座2凹槽前侧壁和后侧壁高度相等，前侧壁高度高于左侧壁，且前侧壁上的通孔为两个。
其他具体实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：所述支撑底座2的凹槽中心开有圆形盲孔一，盲孔的轴线垂直于支撑底座2下表面；
所述支撑凸台1包括支撑段和装配端，所述支撑段和装配段的横截面均为圆形，支撑段的横截面直径大于装配段的横截面直径，装配段的横截面直径小于支撑底座2凹槽中心的盲孔的直径，装配段长度小于支撑底座2凹槽中心盲孔的深度；装配段插入设置在盲孔一中。
本实施方式中：支撑底座2凹槽中心盲孔的直径比支撑凸台1装配段的直径大0.5mm。如此设置，可保证支撑凸台1在焊接过程中不发生较大角度的倾斜。
其他具体实施方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：支撑凸台1的装配段的上方中心开有圆形盲孔二。
其他具体实施方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：所述移动支撑台包括装夹盖板3、滑动底座4和直线导轨5；
所述直线导轨5沿焊接方向设置在支撑底座2的一侧，滑动底座4设置在直线导轨5的上方，且与直线导轨5滑动连接，装夹盖板3的一端设置在滑动底座4的上方，装夹盖板3的另一侧搭在相邻的滑动底座4的侧板上。
其他具体实施方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：所述装夹盖板3的上端面比支撑底座2的前侧壁高1-5mm，所述装夹盖板3的下端面比支撑底座2的左侧壁高1-5mm。
本实施方式中：所述装夹盖板3的上端面比支撑底座2的前侧壁高3mm为最优选，所述装夹盖板3的下端面比支撑底座2的左侧壁高3mm为最优选。
如此设置，可保证焊接过程中支撑底座2凹槽前方侧壁不与待焊工件8发生刮碰，还可保证焊接过程中装夹盖板3不与支撑底座2发生刮碰。
其他具体实施方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，具体包括以下步骤：
步骤一：将支撑底座2安装在焊接工作台6上；
根据支撑底座2中部盲孔一的轴线和焊接方向确定一个平面，将支撑底座2以该平面为基准对称的安装在焊接工作台6上，支撑底座2的卡设有通孔的前侧壁沿焊接方向放置在焊接方向的停止端；
步骤二：将两个移动支撑台对称的安装在支撑底座2两侧；
将两个直线导轨5放置于支撑底座2的外侧，并放置在焊接工作台6上，每个直线导轨5均使其长度方向沿焊接方向设置；将每个滑动底座4安装在一个直线导轨5上，调整直线导轨5至滑动底座4的滑动轨迹与焊接方向平行，将直线导轨5在焊接工作台6上进行固定；将装夹盖板3沿焊接方向对称固定在滑动底座4上；
步骤三：选取支撑凸台1并安装；
将焊接机的搅拌头7的针长与待焊工件8的厚度进行对比，当焊接机的搅拌头7的针长大于待焊工件8的厚度时，选取带有盲孔二的支撑凸台1，当焊接机的搅拌头7的针长小于待焊工件8的厚度时，选取顶端面为平面的支撑凸台1，将选取好的支撑凸台1的装配段插入支撑底座2的盲孔一中：
步骤四：将待焊工件8准备至待焊状态；
去除待焊工件8表面的氧化膜；使用丙酮擦拭待焊工件8的表面以及支撑凸台1支撑段的上表面；
步骤五：在焊接装置上固定待焊工件8；
拨动滑动底座4，使每个滑动底座4均位于焊接方向起始端，将待焊工件8固定在装夹盖板3上方；
步骤六：调试焊接装置及焊接机；
将搅拌头7安装在焊机上，将上部气罩9安装在搅拌头7的外侧，使上部气罩9、搅拌头7和支撑凸台1处于同一条轴线上，调整搅拌头7的倾角并根据选定的焊接工艺参数编写焊接程序；
步骤七：将支撑底座2的凹槽内充入保护气；
将保护气管接入上部气罩9及支撑底座2凹槽侧壁的通孔中，打开保护气阀门，使一部分保护气经保护罩滞留在待焊工件8的上方，使另一部分保护气经过上部气罩途径保护气管进入支撑底座2的凹槽中；
步骤八：将待焊工件8进行焊接；
启动焊机开启搅拌头7进行搅拌摩擦焊接，同步推动两个支撑底座2，使待焊工件沿焊接方向移动。
本实施方式中：焊接时，经上部气罩9流出的保护气流向搅拌头7正下方周围的焊缝上面，而后进入空气，背部保护气由支撑底座2凹槽前方侧壁的两个通孔进入凹槽并包围支撑凸台1，直接与焊缝下面接触，而后经由支撑底座2与装夹盖板3、待焊工件8之间的间隙流向空气。焊接时，焊接工作台6、直线导轨5、支撑底座2、支撑凸台1、搅拌头7和上部气罩9保持静止，待焊工件8、装夹盖板3和滑动底座4沿焊接方向同步移动，直至焊接完成。
具体实施方式八：所述步骤七中打开保护气阀门与步骤八中启动焊机的时间间隔为5s-30s。
本实施方式中：打开保护气阀门与步骤八中启动焊机的时间间隔为10s为最优选。
如此设置，可保证焊接开始时，焊缝正、背部就已处于保护气环境中。
其他具体实施方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：所述步骤三中选取支撑凸台1的支撑段的直径比搅拌头7的轴肩直径大。
本实施方式中：所述步骤三中选取支撑凸台1的支撑段的直径比搅拌头7的轴肩直径大5mm，如此设置，焊接轴向载荷完全作用于支撑凸台1上，能够获得良好的焊缝成形。
其他具体实施方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：所述步骤三中当焊接机的搅拌头7的针长大于待焊工件8的厚度时，选取的支撑凸台1的盲孔二的深度比搅拌头7的针长与待焊工件8厚度的差值大；选取的支撑凸台1的盲孔二的直径比搅拌头7的针的直径大。
本实施方式中：选取的支撑凸台1的盲孔二的深度比搅拌头7的针长与待焊工件8厚度的差值大3mm，如此设置，能够避免搅拌针与盲孔的底部发生摩擦，保证焊接过程稳定。
选取的支撑凸台1的盲孔二的直径比搅拌头7的针的直径大4mm，如此设置，能够避免搅拌针与盲孔的侧壁发生刮擦，保证焊接过程稳定。
其他具体实施方式与具体实施方式七相同。
发明原理：使用直径略大于搅拌头轴肩的支撑凸台取代传统背部垫板，承受焊接轴向载荷，设计开有凹槽及通孔的支撑底座，保护气通过通孔进入支撑底座的凹槽，包围支撑凸台并直接作用于焊缝背部，提供有效保护，获得上下双面保护良好的钛及钛合金等高温金属搅拌摩擦焊接头。

Claims (10)

1.一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：它包括焊机、焊接工作台(6)、支撑凸台(1)、支撑底座(2)、移动支撑台；
所述支撑底座(2)和移动支撑台设置在焊接工作台(6)上，焊机设置在支撑底座(2)的上方，所述焊机焊头位置处设有搅拌头(7)，搅拌头(4)外部设有上气气罩(9)；
所述支撑底座(2)上方中部开有横截面为矩形的凹槽；支撑凸台(1)设置在凹槽的中部，支撑底座(2)的左侧壁和右侧壁高度相等；支撑底座(2)的左侧壁旁边设置一个移动支撑台；支撑底座(2)的右侧壁旁边设置另一个移动支撑台；支撑底座(2)的前侧壁处开有通孔。
2.根据权利要求1所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述支撑底座(2)凹槽前侧壁和后侧壁高度相等，前侧壁高度高于左侧壁，且前侧壁上的通孔为两个。
3.根据权利要求2所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述支撑底座(2)的凹槽中心开有圆形盲孔一，盲孔一的轴线垂直于支撑底座(2)下表面；
所述支撑凸台(1)包括支撑段和装配端，所述支撑段和装配段的横截面均为圆形，支撑段的横截面直径大于装配段的横截面直径，装配段的横截面直径小于支撑底座(2)凹槽中心的盲孔一的直径，装配段长度小于支撑底座(2)凹槽中心盲孔一的深度；装配段插入设置在盲孔一中。
4.根据权利要求3所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：支撑凸台(1)的装配段的上方中心开有圆形盲孔二。
5.根据权利要求4所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述移动支撑台包括装夹盖板(3)、滑动底座(4)和直线导轨(5)；
所述直线导轨(5)沿焊接方向设置在支撑底座(2)的一侧，滑动底座(4)设置在直线导轨(5)的上方，且与直线导轨(5)滑动连接，装夹盖板(3)的一端设置在滑动底座(4)的上方，装夹盖板(3)的另一侧搭在相邻的滑动底座(4)的侧板上。
6.根据权利要求5所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述装夹盖板(3)的上端面比支撑底座(2)的前侧壁高1-5mm，所述装夹盖板(3)的下端面比支撑底座(2)的左侧壁高1-5mm。
7.一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：使用任意权利要求1-6所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接装置进行焊接，具体包括以下步骤：
步骤一：将支撑底座(2)安装在焊接工作台(6)上；
根据支撑底座(2)中部盲孔一的轴线和焊接方向确定一个平面，将支撑底座(2)以该平面为基准对称的安装在焊接工作台(6)上，支撑底座(2)的卡设有通孔的前侧壁沿焊接方向放置在焊接方向的停止端；
步骤二：将两个移动支撑台对称的安装在支撑底座(2)两侧；
将两个直线导轨(5)放置于支撑底座(2)的外侧，并放置在焊接工作台(6)上，每个直线导轨(5)均使其长度方向沿焊接方向设置；将每个滑动底座(4)安装在一个直线导轨(5)上，调整直线导轨(5)至滑动底座(4)的滑动轨迹与焊接方向平行，将直线导轨(5)在焊接工作台(6)上进行固定；将装夹盖板(3)沿焊接方向对称固定在滑动底座(4)上；
步骤三：选取支撑凸台(1)并安装；
将焊接机的搅拌头(7)的针长与待焊工件(8)的厚度进行对比，当焊接机的搅拌头(7)的针长大于待焊工件(8)的厚度时，选取带有盲孔二的支撑凸台(1)，当焊接机的搅拌头(7)的针长小于待焊工件(8)的厚度时，选取顶端面为平面的支撑凸台(1)，将选取好的支撑凸台(1)的装配段插入支撑底座(2)的盲孔一中：
步骤四：将待焊工件(8)准备至待焊状态；
去除待焊工件(8)表面的氧化膜；使用丙酮擦拭待焊工件(8)的表面以及支撑凸台(1)支撑段的上表面；
步骤五：在焊接装置上固定待焊工件(8)；
拨动滑动底座(4)，使每个滑动底座(4)均位于焊接方向起始端，将待焊工件(8)固定在装夹盖板(3)上方；
步骤六：调试焊接装置及焊接机；
将搅拌头(7)安装在焊机上，将上部气罩(9)安装在搅拌头(7)的外侧，使上部气罩(9)、搅拌头(7)和支撑凸台(1)处于同一条轴线上，调整搅拌头(7)的倾角并根据选定的焊接工艺参数编写焊接程序；
步骤七：将支撑底座(2)的凹槽内充入保护气；
将保护气管接入上部气罩(9)及支撑底座(2)凹槽侧壁的通孔中，打开保护气阀门，使一部分保护气经保护罩滞留在待焊工件(8)的上方，使另一部分保护气经过上部气罩途径保护气管进入支撑底座(2)的凹槽中，；
步骤八：将待焊工件(8)进行焊接；
启动焊机开启搅拌头(7)进行搅拌摩擦焊接，同步推动两个支撑底座(2)，使待焊工件沿焊接方向移动。
8.根据权利要求6所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤七中打开保护气阀门与步骤八中启动焊机的时间间隔为5s-30s。
9.根据权利要求7所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中选取支撑凸台(1)的支撑段的直径比搅拌头(7)的轴肩直径大。
10.根据权利要求7所述的一种焊缝双面施加氩气保护的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤三中当焊接机的搅拌头(7)的针长大于待焊工件(8)的厚度时，选取的支撑凸台(1)的盲孔二的深度比搅拌头(7)的针长与待焊工件(8)厚度的差值大；选取的支撑凸台(1)的盲孔二的直径比搅拌头(7)的针的直径大。
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