CN112475647A - 一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其包括下述步骤，工件加工准备、组对焊接工件、工件背面坡口的填充焊、搅拌摩擦焊及工件正面的电弧焊盖面焊；本发明将搅拌摩擦焊接与电弧焊接结合起来，以搅拌摩擦焊接为主，电弧焊为辅，金属板的主要焊接厚度是依靠搅拌摩擦焊接来实现，利用电弧焊焊接厚板的上下表面以获得有一定余高补偿的焊缝，从而实现低成本高性能焊接接头。

Description

一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水线方法

技术领域

本发明属于金属的焊接加工制造技术，具体涉及一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水线方法，可以进行有色金属或黑色金属钢铁的复合焊接，主要应用于轨道交通、航空航天、管道制造、金属钢结构制造等制造业领域。

背景技术

电弧焊是利用电弧加热熔化填充材料和母材共同形成熔池经冷却凝固形成焊缝的过程，具有生产过程简单，质量好的特点。采用电弧焊焊接厚金属板时，在焊接时需要开坡口，存在焊前准备加工坡口的工作量、焊接过程中还需要进行大量的金属熔化填充过程，既消耗大量的焊材、又需要消耗大量的工作时间和能源。在大量的熔敷焊接过程中会产生很多冶金问题或焊接缺陷。

搅拌摩擦焊接是一种新型固相状态的塑性化焊接过程，是利用搅拌头与母材之间摩擦产热使被焊金属达到塑性化，利用搅拌针将塑性化的母材金属搅动混合在一起后给予挤压成型。搅拌摩擦焊接主要用于低熔点的有色金属铝及其合金的焊接。搅拌摩擦焊接对接焊缝时需要正面加压摩擦，所以一般不能完全将工件焊透，此外工件背面需要衬垫支撑使得搅拌摩擦焊接的应用受到局限。因此，对于厚板通常采用双面焊接，但是搅拌摩擦焊接双面焊接时存在双面焊缝减薄问题，需要进行特殊处理。

针对电弧焊和搅拌摩擦焊的特点，也有将二者结合对工件进行焊接的工艺方法，如中国公开专利CN201910870554.X提出一种电弧焊和搅拌摩擦复合焊接型材工艺方法，其针对工字铝型材实现了不开坡口的焊接制造过程。由于其只是针对铝及其合金材料，且针对工字型工件。对于钢铁材料方面，由于搅拌摩擦焊接技术目前不是很成熟，主要体现在搅拌头结构设计和选材方面存在困难。因此，此焊接工艺方法对于厚板铝及其合金或低碳钢钢板对接是不适宜的。

发明内容

本发明针对上述现有技术中厚金属板焊接存在的问题，提出一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，解决了现有技术中厚金属板尤其是低碳钢厚金属板焊接时存在焊缝减薄且成本高的问题。

本发明的技术方案包括下述步骤：

步骤1，工件加工准备：首先确定工件的电弧焊坡口类型并加工，根据选择的电弧焊方法以及加工条件选择坡口类型；

步骤2，组对焊接工件：将加工好坡口的工件进行组对，要求对口间隙为零，不能有错边存在，组对后进行点固焊；

步骤3，工件背面坡口的填充焊：将点固焊后的工件送到脉冲MIG焊工作台进行工件背面坡口的脉冲MIG焊接，焊接要保证填满坡口并与母材良好熔合；

步骤4，搅拌摩擦焊：将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，根据工作条件采用搅拌摩擦热状态焊或冷态焊，按照预先设定的焊接工艺参数进行搅拌摩擦焊接；

步骤5，工件正面的电弧焊盖面焊：将搅拌摩擦后的工件传送到电弧焊盖面焊区域进行焊接机器人或手工操作脉冲MIG电弧焊盖面焊接。

所述的步骤1中，背面坡口类型选择V型或U型，其中工件背面坡口以一道熔焊填满为最佳；工件正面坡口开成倒梯形，即上宽下窄，窄边宽度以搅拌头轴肩直径确定，深度为2～3mm。

所述的步骤1中，背面坡口角度60°；背面坡口宽度12～14mm；正面坡口角度

60°～80°；正面梯形坡口底边宽度φ4 mm +2mm，φ4为搅拌头轴肩直径；正面梯形坡口顶边宽度φ4 mm +6 mm，φ4为搅拌头轴肩直径。

所述的步骤2中，工件正面进行点固焊缝，焊缝长度为50mm，间距为200～300mm，铝及其合金选用交流TIG焊，焊接电流为300～350A，电压14～16V，并填丝，保证焊缝余高0-1mm；对于钢焊件，选用直流TIG焊，电流、电压选择保证能够达到熔深2～3mm即可，并填丝，保证焊缝余高0-1mm。

所述的步骤4中，搅拌摩擦热状态焊接为，将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，在搅拌摩擦焊接前方100～200mm处安装TIG焊枪，待准备工作就绪后，首先启动TIG焊枪进行自熔焊接，启动工件行走系统，在工件的TIG焊起始焊点移动到搅拌摩擦焊接处时，启动搅拌摩擦焊接，并按照预先设定的焊接工艺参数进行搅拌摩擦焊接； TIG电弧焊接接近终点100mm位置时，停止TIG电弧，继续进行搅拌摩擦焊接到工件焊缝终点，停止搅拌焊接主电源开关，抬起搅拌头。

所述的步骤4中，搅拌摩擦冷态焊接为，将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，启动搅拌摩擦焊机主轴电机，然后下降搅拌头使其接近焊接部位并产生摩擦，经过摩擦产热待焊接部位产生塑性化后继续下压搅拌头使轴肩紧压母材表面形成锻压力，当搅拌头下焊接金属完全塑性化后移动行走开始焊接。

所述的步骤4中，搅拌摩擦焊的搅拌头采用复合结构，包括夹持段、搅拌头主体部分和搅拌针顶端，所述的搅拌头主体部分包括搅拌针轴肩和搅拌针；所述的夹持段是采用高强钢制造成的圆柱形结构，夹持段与搅拌头主体部分采用螺纹连接，所述的搅拌头主体部分采用高速钢制造，搅拌头的搅拌轴肩的摩擦面设置倒角；所述的搅拌头主体部分由大直径段和中直径段形成阶梯式结构，大直径段和中直径段以及搅拌轴肩是一个整体加工件；所述的搅拌针顶端采用钨钢合金制造，搅拌针顶端由圆锥形柱体和半圆球头构成，圆锥形柱体的一端带有圆柱连接杆，中直径段是一中空盲管，圆柱连接杆与中空盲管间隙相匹配并采用高温钎焊连接，圆锥形柱体的另一端连接半圆球头。

本发明的优点效果如下：

本发明将搅拌摩擦焊接与电弧焊接结合起来，以搅拌摩擦焊接为主，电弧焊为辅，金属板的主要焊接厚度是依靠搅拌摩擦焊接来实现，利用电弧焊焊接厚板的上下表面以获得有一定余高补偿的焊缝，从而实现低成本高性能焊接接头。具体体现为：

（1）与熔化焊相比，可节省大量的焊接时间和消耗性焊接材料，以板厚为20mm铝板为例，如果开V型坡口（坡口角度为80°）形成同样的焊缝截面积可节省填充材料近80%。相应地减少焊接时间和电能消耗。

（2）由于采用搅拌摩擦焊接代替多层熔化焊，大幅减少了熔化焊接中气孔、夹渣、未熔合现象的产生，提高了焊接质量。

（3）搅拌摩擦焊接采用阶梯型搅拌头，可以充分利用中间段轴肩的摩擦产热使厚度方向热量分布均匀，有利于中间厚度母材的塑性化和搅拌过程。

（4）本发明搅拌头顶端所用钨钢材料是热熔钻用材料，具有相当高的耐高温摩擦性能，因此本发明搅拌头完全可以用于低碳钢材料的搅拌摩擦焊接。轴肩和搅拌针连接段采用高速钢，是典型的合金工具钢，具有较好的耐磨性能和加工性能。夹持段采用高强度的合金钢，可以传递较大的搅拌摩擦功率。各部分之间的连接方式采用高温钎焊或螺纹连接。采用高温钎焊连接，主要是基于搅拌头顶端是钨钢具有很高的耐高温摩擦性能，在开始起焊时需受很大的摩擦，在焊接进行中由于其直径相对小，受到的应力相对小，因此采用高温钎焊。而搅拌头主体部分和加持段之间传递全部功率，需要较大的抗扭载荷能力，因此就选用螺纹连接。因此，本发明所用搅拌头可以较广泛地适用于铝及其合金以及低碳钢的焊接。

（5）在生产过程中如果将该焊接工艺设计成生产流水线，可以互相利用焊接余热进行预热以降低焊接能耗和搅拌头磨损消耗，对降低生产成本是有益的。

（6）本发明与现有技术中的复合焊接相比，实现了对厚金属板尤其是低碳钢板材的焊接；且在搅拌摩擦焊接时可以根据需要在前方设置电弧辅助加热实现热态焊。

附图说明

图1为本发明电弧焊坡口结构示意图。

图2为本发明电弧焊填充结构示意图。

图3为本发明搅拌摩擦焊结构示意图。

图4为本发明搅拌摩擦焊焊接垫板结构示意图。

图5为本发明电弧焊盖面焊结构示意图。

图6为本发明搅拌摩擦焊搅拌头结构示意图。

具体实施方式

实施例

本发明的技术方案包括下述步骤：

步骤1，工件加工准备：首先确定电弧焊坡口类型并加工，根据选择的电弧焊方法以及加工条件选择坡口类型，可以选择V型或U型。其中工件背面坡口以一道熔焊填满为最佳；工件正面坡口开成倒梯形，即上宽下窄，窄边宽度以搅拌头轴肩直径确定，深度在2～3mm左右。

如图1所示，背面坡口角度，α1=60°；背面坡口宽度，B1=12～14mm；正面坡口角度，α2=60°～80°；正面梯形坡口底边宽度，B2=φ4 mm（搅拌头轴肩直径） +2 mm；正面梯形坡口顶边宽度，B3=φ4 mm （搅拌头轴肩直径）+6 mm。

步骤2，搅拌头的加工准备：根据工件焊接厚度确定搅拌头总长度，然后根据搅拌头设计结构，进行阶梯型搅拌头各部分尺寸确定及加工。

如图6所示，搅拌摩擦焊的搅拌头采用复合结构，搅拌摩擦焊的搅拌头采用复合结构，包括夹持段、搅拌头主体部分和搅拌针顶端，所述的搅拌头主体部分包括搅拌针轴肩和搅拌针（包含大直径段和中直径段）；所述的夹持段是采用高强钢制造成的圆柱形结构，夹持段与搅拌头主体部分采用螺纹连接，所述的搅拌头主体部分采用高速钢制造，搅拌头的搅拌轴肩的摩擦面设置倒角；所述的搅拌头主体部分由大直径段和中直径段形成阶梯式结构，大直径段和中直径段以及搅拌轴肩是一个整体加工件；所述的搅拌针顶端采用钨钢合金制造，搅拌针顶端由圆锥形柱体和半圆球头构成，圆锥形柱体的一端带有圆柱连接杆，中直径段是一中空盲管，圆柱连接杆与中空盲管间隙相匹配并采用高温钎焊连接，圆锥形柱体的另一端连接半圆球头。

搅拌头各部件尺寸参数如图6所示，其中夹持段：长度H6=50～80mm，直径φ6=（0.6～0.8）mm×φ5，连接螺纹直径为M，M=0.8 mm ×φ6，螺纹长度为H7，H7=（0.6～0.8）mm ×H5。

搅拌头轴肩：轴肩直径φ5=（2.5～3）mm×φ4；长度H5=（0.8～1）mm×φ4；轴肩直径φ7=φ5+6mm。

搅拌针直径分别为φ4和φ3两段。大直径段φ4=（0.8～1）δ，δ为焊接工件厚度，长度H4=1/2φ4。中直径段φ3=1/2φ4，长度H3=0.3φ3。

搅拌针顶端的圆锥形柱体的顶端直径φ1=4mm，长度H1=5～6mm。

步骤3，组对焊接工件：将加工好坡口的工件进行组对，要求对口间隙为零，不能有错边存在，组对后进行点固焊，点固焊缝在正面进行点固焊，焊缝长度为50mm，间距为200～300mm，对于铝及其合金的厚金属板可选用交流TIG焊，焊接电流为300～350A，电压14～16V，可以适当填丝，保证焊缝余高不超过1mm；对于钢焊件，可选用直流TIG焊，电流、电压选择保证能够达到熔深2～3mm为宜，并适当填丝，保证焊缝余高不超过1mm。

步骤4，工件背面坡口的填充焊：将点固焊后的工件送到脉冲MIG焊工作台进行脉冲MIG焊接，焊接要保证填满坡口并与母材良好熔合，焊接可采用焊接机器人进行也可以采用人工操作焊接。如图2所示，电弧打底焊，背面余高C1=0～3mm。

步骤5，搅拌摩擦焊接方式的选择：在搅拌摩擦焊接时，根据工作条件可以搅拌摩擦热状态焊或冷态焊，热态焊就是在搅拌摩擦焊接时附加电弧焊进行预热，以提高搅拌摩擦焊接的效率。对于铝及其合金TIG焊采用交流氩弧焊，最佳选择矩形波交流氩弧焊。对于钢焊件，可选用直流TIG焊，焊接电流120～180A、电压12～18V。冷态焊就是非电弧预热焊状态。如图4所示，搅拌摩擦焊接焊缝，背面垫板厚度10mm，凹槽尺寸：30mm*（3～5）mm。

步骤6a，搅拌摩擦热态焊接：将工件背面熔化极电弧焊接过的试板放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心。在搅拌摩擦焊接前方100～200mm处安装TIG焊枪，待准备工作就绪后，首先启动TIG焊枪进行自熔焊接，启动工件行走系统，在工件的TIG焊起始焊点移动到搅拌摩擦焊接处时，启动搅拌摩擦焊接，并按照预先设定的焊接工艺参数（转速、下压力、焊接速度等）进行搅拌摩擦焊接。TIG电弧焊接接近终点100mm位置时，停止TIG电弧，继续进行搅拌摩擦焊接到工件焊缝终点。停止搅拌焊接主电源开关，抬起搅拌头。

步骤6b，搅拌摩擦冷态焊接：将工件背面熔化极电弧焊接过的试板放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心。启动搅拌摩擦焊机主轴电机，然后缓慢下降搅拌头使其接近焊接部位并产生摩擦，经过一定时间摩擦产热待焊接部位产生塑性化后继续下压搅拌头使轴肩紧压母材表面形成一定的锻压力。当搅拌头轴肩下焊接金属完全塑性化后移动行走开始焊接。

步骤7，工件正面的电弧焊盖面焊：将搅拌摩擦后的工件传送到电弧焊盖面焊区域进行焊接机器人或手工操作脉冲MIG电弧焊盖面焊接，由于盖面焊接区域较宽，需要安排多道焊缝的脉冲MIG熔化极电弧焊焊接。其焊接工艺与工件背面打底焊相近，仅在焊接速度和焊枪摆动宽度方面有所不同，需根据焊缝宽度具体要求进行调整，以满足焊缝宽度和焊缝余高要求。如图5所示，盖面焊余高C2=0～3mm。

应用实施例1

以纯铝1060，20mm厚度，铝板宽度200mm，长度1000mm为例；

焊接坡口尺寸选择：工件背面坡口选择V型坡口，坡口深度4～5mm，坡口角度70±10°；工件正面坡口选择倒梯形，坡口深度2～3mm，下底宽为22mm，上底宽度为25mm；熔化极电弧焊焊接打底焊工艺方法：单脉冲MIG焊；焊丝ER1100；

焊接参数工艺参数：单脉冲焊丝直径1.6mm焊接电流180～200A，焊接电压19～20V,焊接速度240～260mm/min。气体流量20L/min；

熔化极电弧焊填充正面焊接工艺方法：单脉冲MIG焊；焊接工艺参数，单层4道焊，每道焊接进行横向摆动，保证每道焊缝宽度20mm，每道焊缝间搭接5mm，焊缝总宽度到达60mm。焊接电流120～150A，电压18～20V，焊丝直径1.2mm，焊接速度120～150mm/min，气体流量20L/min。

搅拌摩擦焊接工艺参数：焊接主轴转速800r/min,焊接速度100mm/min,搅拌头尺寸如图6所示，其中：Φ1=4mm；H1=5mm;φ2=6mm，H2=8mm；φ3=10mm，H3=11mm；φ4=16mm，H4=8mm；φ5=55mm，H9=2mm；φ7=60mm，H5=40mm；φ6=40mm, H6=80mm；H7=12～14mm；H8=15mm；M=M40。

应用实施例2

以低碳钢Q245，20mm厚度，宽度200mm，长度500mm为例；

焊接坡口尺寸选择：工件背面坡口选择V型坡口，坡口深度4～5mm，坡口角度55±5°；工件正面坡口选择倒梯形，坡口深度2～3mm，下底宽为22mm，上底宽度为25mm；熔化极电弧焊焊接打底焊工艺方法：CO2气体保护焊；焊丝：ER50-6；

焊接参数工艺参数：焊丝直径1.2mm，ER50-6，焊接电流140～160A，焊接电压19～21V,焊接速度200mm/min。气体流量16～20L/min；

熔化极电弧焊填充正面焊接工艺方法：CO2气体保护焊；焊丝直径1.2mm，ER50-6;焊接工艺参数，单层4道焊，每道焊接进行横向摆动，保证每道焊缝宽度20mm，每道焊缝间搭接5mm，焊缝总宽度到达60mm。焊接电流120～150A，焊接电压19～21V,焊接速度250mm/min。气体流量16～20L/min；

搅拌摩擦焊接工艺参数：焊接主轴转速1000r/min,焊接速度80～100mm/min,搅拌头尺寸如图6所示，其中：Φ1=4mm；H1=5mm;φ2=6mm，H2=8mm；φ3=10mm，H3=11mm；φ4=16mm，H4=8mm；φ5=55mm，H9=2mm；φ7=60mm，H5=40mm；φ6=40mm, H6=80mm；H7=12～14mm；H8=15mm；M=M40。

Claims (7)

1.一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，工件加工准备：首先确定工件的电弧焊坡口类型并加工，根据选择的电弧焊方法以及加工条件选择坡口类型；

步骤2，组对焊接工件：将加工好坡口的工件进行组对，要求对口间隙为零，不能有错边存在，组对后进行点固焊；

步骤3，工件背面坡口的填充焊：将点固焊后的工件送到脉冲MIG焊工作台进行工件背面坡口的脉冲MIG焊接，焊接要保证填满坡口并与母材良好熔合；

步骤4，搅拌摩擦焊：将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，根据工作条件采用搅拌摩擦热状态焊或冷态焊，按照预先设定的焊接工艺参数进行搅拌摩擦焊接；

步骤5，工件正面的电弧焊盖面焊：将搅拌摩擦后的工件传送到电弧焊盖面焊区域进行焊接机器人或手工操作脉冲MIG电弧焊盖面焊接。

2.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤1中，背面坡口类型选择V型或U型，其中工件背面坡口以一道熔焊填满为最佳；工件正面坡口开成倒梯形，即上宽下窄，窄边宽度以搅拌头轴肩直径确定，深度为2～3mm。

3.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤1中，背面坡口角度60°；背面坡口宽度12～14mm；正面坡口角度60°～80°；正面梯形坡口底边宽度φ4 mm +2mm，φ4为搅拌头轴肩直径；正面梯形坡口顶边宽度φ4 mm +6 mm，φ4为搅拌头轴肩直径。

4.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤2中，工件正面进行点固焊缝，焊缝长度为50mm，间距为200～300mm，铝及其合金选用交流TIG焊，焊接电流为300～350A，电压14～16V，并填丝，保证焊缝余高0-1mm；对于钢焊件，选用直流TIG焊，电流、电压选择保证能够达到熔深2～3mm即可，并填丝，保证焊缝余高0-1mm。

5.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤4中，搅拌摩擦热状态焊接为，将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，在搅拌摩擦焊接前方100～200mm处安装TIG焊枪，待准备工作就绪后，首先启动TIG焊枪进行自熔焊接，启动工件行走系统，在工件的TIG焊起始焊点移动到搅拌摩擦焊接处时，启动搅拌摩擦焊接，并按照预先设定的焊接工艺参数进行搅拌摩擦焊接； TIG电弧焊接接近终点100mm位置时，停止TIG电弧，继续进行搅拌摩擦焊接到工件焊缝终点，停止搅拌焊接主电源开关，抬起搅拌头。

6.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤4中，搅拌摩擦冷态焊接为，将背面熔化极电弧焊接过的工件放置到搅拌摩擦焊接平台上进行夹紧固定，调节搅拌摩擦焊接机头位置使搅拌头对准焊缝中心，启动搅拌摩擦焊机主轴电机，然后下降搅拌头使其接近焊接部位并产生摩擦，经过摩擦产热待焊接部位产生塑性化后继续下压搅拌头使轴肩紧压母材表面形成锻压力，当搅拌头下焊接金属完全塑性化后移动行走开始焊接。

7.根据权利要求1所述的一种电弧焊和搅拌摩擦焊复合焊接厚金属板的流水作业方法，其特征在于所述的步骤4中，搅拌摩擦焊的搅拌头采用复合结构，包括夹持段、搅拌头主体部分和搅拌针顶端，所述的搅拌头主体部分包括搅拌针轴肩和搅拌针；所述的夹持段是采用高强钢制造成的圆柱形结构，夹持段与搅拌头主体部分采用螺纹连接，所述的搅拌头主体部分采用高速钢制造，搅拌头的搅拌轴肩的摩擦面设置倒角；所述的搅拌头主体部分由大直径段和中直径段形成阶梯式结构，大直径段和中直径段以及搅拌轴肩是一个整体加工件；所述的搅拌针顶端采用钨钢合金制造，搅拌针顶端由圆锥形柱体和半圆球头构成，圆锥形柱体的一端带有圆柱连接杆，中直径段是一中空盲管，圆柱连接杆与中空盲管间隙相匹配并采用高温钎焊连接，圆锥形柱体的另一端连接半圆球头。

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