CN112605520A - 一种搅拌摩擦焊的焊接系统及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种搅拌摩擦焊的焊接系统及焊接方法。焊接系统，包括：搅拌头，用于将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝；冷却装置，用于在焊接时对焊缝进行降温。焊接方法包括如下步骤：在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行冷却。本申请实施例解决了搅拌摩擦焊将异种材料焊接的焊接接头力学性能差的技术问题。

Description

一种搅拌摩擦焊的焊接系统及焊接方法

技术领域

本申请涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体地，涉及一种搅拌摩擦焊的焊接系统及焊接方法。

背景技术

铝合金是一种质量较轻，高强的合金材料，近些年广泛的应用于工业生产、航空航天、轨道交通等领域；镁合金具有密度低，导热性好、轻质、强度高等优点，有广阔的应用前景，尤其是在汽车制造，轨道交通以及兵器制造行业的应用尤为突出。铝镁合金具有许多吸引人的特性，例如低密度和高比强度。据预测，不久的将来，铝镁合金的应用将迅速增长，特别是在运输行业，铝、镁合金的连接有着广泛的必要性。随着铝镁合金的快速发展和广泛应用，铝镁异种合金的焊接成为主要关注的问题，对于两种不同材料的金属合金的连接，存在着诸多困难，因为两种材料的物理、化学性质存在着较大的差异，焊接过程中存在的较大的冶金问题，容易产生脆性相。搅拌摩擦焊接广泛应用于镁合金或铝合金的焊接，对于镁铝合金异种材料的连接有着广阔的应用前景。而使用搅拌摩擦焊进行焊接时，虽然可以形成无缺陷的焊接接头，但由于铝镁物理、化学差异较大，在界面处容易形成大量的金属间化合物，降低了焊接接头的力学性能。

因此，搅拌摩擦焊将异种材料焊接的焊接接头力学性能差，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

发明内容

本申请实施例提供了一种搅拌摩擦焊的焊接系统及焊接方法，以解决搅拌摩擦焊将异种材料焊接的焊接接头力学性能差的技术问题。

本申请实施例提供了一种一种搅拌摩擦焊的焊接系统，包括：

搅拌头，用于将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝；

冷却装置，用于在焊接时对焊缝进行降温。

本申请实施例还提供以下技术方案：

一种搅拌摩擦焊的焊接方法，包括如下步骤：

在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行冷却。

本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：

在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，冷却装置对焊缝进行降温，通过降温避免或减少在焊缝处形成金属间化合物，从而硬脆相的分布较少，焊接接头的力学性能较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的一种搅拌摩擦焊的焊接系统的示意图。

附图标记说明：

11搅拌头，12喷管

2待焊接母材。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

图1为本申请实施例的一种搅拌摩擦焊的焊接系统的示意图。

如图1所示，本申请实施例的搅拌摩擦焊的焊接系统，包括：

搅拌头11，用于将两个待焊接母材2进行焊接形成焊缝；

冷却装置，用于在焊接时对焊缝进行降温。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的焊接系统，在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，冷却装置对焊缝进行降温，通过降温避免或减少在焊缝处形成金属间化合物，从而硬脆相的分布较少，焊接接头的力学性能较高。

其中，如图1所示，搅拌头上的箭头代表搅拌头的旋转方向，待焊接母材上的箭头代表焊接方向。

实施中，焊接系统还包括：

温度传感器(图中未示出)，固定在所述搅拌头的后侧随着所述搅拌头11移动，且与所述冷却装置连接；

其中，所述温度传感器用于感知焊缝局部的温度，且将所述温度传感器的感知温度发送至所述冷却装置，所述冷却装置具体用于根据温度传感器的感知温度，对焊缝局部进行降温。

在搅拌头逐渐形成焊缝的过程中，设置在搅拌头后侧的温度传感器，实时感知刚刚形成的焊缝部分的温度，将温度传感器的感知温度发送至冷却装置。冷却装置具体用于根据温度传感器的感知温度，对焊缝局部进行局部降温。即对焊缝局部的降温，是随着焊缝形成一起进行的，是对焊缝局部进行快速冷却，进而对冷却装置的功率要求较低。

实施中，如图1所示，所述冷却装置包括：

喷管12，固定在所述温度传感器的后侧且随着所述搅拌头11移动，所述喷管12的出口的中心和所述搅拌头11的中心位于同一直线；

储罐，与所述喷管连通，用于容纳液化的冷却气体；

冷却控制单元，与所述温度传感器连接，用于根据温度传感器的感知温度，控制喷管处液化的冷却气体的流量。

喷管固定在所述温度传感器的后侧，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心位于同一直线，这样，喷管的出口喷出的冷却气体对着焊缝的中心，即对焊缝的中心进行冷却。冷却控制单元与温度传感器连接，根据温度传感器的感知温度，控制喷管处液化的冷却气体的流量，是有针对性的降温。

具体的，所述冷却装置还包括：

支架，固定在搅拌头的后侧，所述温度传感器和所述喷管分别于所述支架固定。

通过支架，能够实现温度传感器和喷管方便的固定，也能实现温度传感器和喷管随着搅拌头移动。

实施中，所述冷却装置具体用于在所述搅拌头插入待焊接母材时，开启所述温度传感器和所述冷却装置，在搅拌头从待焊接母材拔出时，关闭所述温度传感器和所述冷却装置。

这样，在搅拌头进行焊接的过程中，一直进行降温。

具体的，所述冷却控制单元具体还用于：

在温度传感器的感知温度小于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量为预设流量。

在温度传感器的感知温度大于等于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q满足以下关系式：

Q＝预设流量+流量系数×△t；

其中，△t为所述温度传感器的感知温度和预设温度的差值。

在搅拌头进行焊接的过程中，根据温度传感器的感知温度的不同，降温的程度不同。温度传感器的感知温度和预设温度的差值越大，喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q越大。

具体的，液化的冷却气体为液氮，所述预设流量为2升每分钟，流量系数为0.02升每分钟，所述预设温度为200摄氏度。

具体的，所述喷管的出口到待焊接母材的上表面之间距离的取值是大于等于100毫米小于等于300毫米之间的任一值。

这样，喷管的出口的中心和焊缝之间距离较小，能够对焊缝进行较好的冷却。

具体的，所述喷管的出口到待焊接母材的上表面之间距离的取值为200毫米。

具体的，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心之间距离的取值是大于等于300毫米小于等于600毫米之间的任一值。

这样，喷管和搅拌头之间距离较小，能够对刚刚进行焊接的部分的进行较好的冷却。

具体的，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心之间距离的取值为500毫米。

具体的，对待焊接母材是铝合金和镁合金。

下面结合具体实施例对本发明做详细的描述。

本发明利用FSW-LM-AM16-2D型搅拌摩擦焊机对试板(即待焊接母材)进行焊接，其工艺如下：

(1)选用厚度为4毫米的AZ31镁合金及6061铝合金板材，工装之前对铝板和镁板进行打磨，以对接的方式将铝板和镁板固定在工装上；

(2)焊接参数选用：主轴转速800-1000rpm(单位为每分钟转数)，焊接速度200-300mm/min(单位为毫米每分钟)，温度传感器及冷却装置固定在搅拌头正后方50毫米处，设置目标冷却温度200℃，在搅拌摩擦焊接过程中，温度传感器实时反馈的焊缝温度(即温度传感器的感知温度)，当焊缝温度为200℃以内时，液氮流量为2L/min，超过目标值时,根据公式1：Q＝2+0.02×△t，随时调整液氮的流量。在搅拌头插入试件的同时开启冷却装置，在焊接过程中，温度传感器及冷却装置相对于搅拌头的位置不变，冷却喷嘴对准焊缝中心进行局部冷却，当搅拌头从工件中拔出时，关闭温度传感器及冷却装置；

(3)为了和传统的铝镁搅拌摩擦焊接进行对比，使用相同的参数，在没有冷却装置的情况下对其进行焊接；

(4)对快速冷却搅拌摩擦焊和传统搅拌摩擦焊的横截面及力学性能进行比较，结果如下；

(5)在无冷却条件下铝镁焊接时，在焊核区，铝镁充分混合，形成了大量的亮白色带状组织，对其进行EDS分析，发现该组织为Mg₁₇Al₁₂金属间化合物，该金属间化合物属于硬脆相，由于它的广泛分布，使得接头的力学性能较差；在液氮条件下的铝镁合金焊接时，在焊核区组织更为均匀，带状组织显著减少；

(6)对二者进行拉伸试验，在空气环境下，铝镁合金焊接接头的抗拉强度仅为86MPa，延伸率为2.6％；而在液氮条件下，抗拉强度及延伸率都大幅增加，抗拉强度达到151MPa，延伸率达到4.25％。

实施例二

本申请实施例的搅拌摩擦焊的焊接方法，使用实施例一所述搅拌摩擦焊的焊接系统，包括如下步骤：

在搅拌头进行焊接的同时，对焊缝处进行冷却。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的焊接方法，在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行降温。通过降温避免或减少在焊缝处形成金属间化合物，从而硬脆相的分布较少，焊接接头的力学性能较高。

实施中，在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行冷却的步骤，具体包括：

获取温度传感器的感知温度，将温度传感器的感知温度发送至所述冷却装置；

根据温度传感器的感知温度，冷却装置控制喷管处液化的冷却气体的流量。

实施中，根据温度传感器的感知温度，冷却装置控制喷管处液化的冷却气体的流量的步骤，具体包括：

在温度传感器的感知温度小于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量为预设流量；

在温度传感器的感知温度大于等于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q满足以下关系式：

Q＝预设流量+流量系数×△t；

其中，△t为所述温度传感器的感知温度和预设温度的差值。

其中，△t为所述温度传感器的感知温度和预设温度的差值。

在搅拌头进行焊接的过程中，根据温度传感器的感知温度的不同，降温的程度不同。温度传感器的感知温度和预设温度的差值越大，喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q越大。

具体的，液化的冷却气体为液氮，所述预设流量为2升每分钟，流量系数为0.02升每分钟，所述预设温度为200摄氏度。

具体的，所述喷管的出口到待焊接母材的上表面之间距离的取值是大于等于100毫米小于等于300毫米之间的任一值。

具体的，所述喷管的出口到待焊接母材的上表面之间距离的取值为200毫米。

这样，喷管的出口的中心和焊缝之间距离较小，能够对焊缝进行较好的冷却。

具体的，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心之间距离的取值是大于等于300毫米小于等于600毫米之间的任一值。

具体的，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心之间距离的取值为500毫米。

这样，喷管和搅拌头之间距离较小，能够对刚刚进行焊接的部分的进行较好的冷却。

具体的，对待焊接母材是铝合金和镁合金。

在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种搅拌摩擦焊的焊接系统，其特征在于，包括：

搅拌头，用于将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝；

冷却装置，用于在焊接时对焊缝进行降温。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，还包括：

温度传感器，固定在所述搅拌头的后侧随着所述搅拌头移动，且与所述冷却装置连接；

其中，所述温度传感器用于感知焊缝局部的温度，且将所述温度传感器的感知温度发送至所述冷却装置，所述冷却装置具体用于根据温度传感器的感知温度，对焊缝局部进行降温。

3.根据权利要求2所述的焊接系统，其特征在于，所述冷却装置包括：

喷管，固定在所述温度传感器的后侧且随着所述搅拌头移动，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心位于同一直线；

储罐，与所述喷管连通，用于容纳液化的冷却气体；

冷却控制单元，与所述温度传感器连接，用于根据温度传感器的感知温度，控制喷管处液化的冷却气体的流量。

4.根据权利要求3所述的焊接系统，其特征在于，所述冷却装置具体用于在所述搅拌头插入待焊接母材时，开启所述温度传感器和所述冷却装置，在搅拌头从待焊接母材拔出时，关闭所述温度传感器和所述冷却装置。

5.根据权利要求4所述的焊接系统，其特征在于，所述冷却控制单元具体还用于：

在温度传感器的感知温度小于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量为预设流量。

6.根据权利要求5所述的焊接系统，其特征在于，所述冷却控制单元具体还用于：

在温度传感器的感知温度大于等于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q满足以下关系式：

Q＝预设流量+流量系数×△t；

其中，△t为所述温度传感器的感知温度和预设温度的差值。

7.根据权利要求6所述的焊接系统，其特征在于，液化的冷却气体为液氮，所述预设流量为2升每分钟，流量系数为0.02升每分钟，所述预设温度为200摄氏度。

8.根据权利要求7所述的焊接系统，其特征在于，所述喷管的出口到待焊接母材的上表面之间距离的取值是大于等于100毫米小于等于300毫米之间的任一值。

9.根据权利要求7所述的焊接系统，其特征在于，所述喷管的出口的中心和所述搅拌头的中心之间距离的取值是大于等于300毫米小于等于600毫米之间的任一值。

10.根据权利要求7所述的焊接系统，其特征在于，对待焊接母材是铝合金和镁合金。

11.一种使用权利要求1至10任一所述的搅拌摩擦焊的焊接系统进行搅拌摩擦焊的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行冷却。

12.根据权利要求11所述的焊接方法，其特征在于，在搅拌头将两个待焊接母材进行焊接形成焊缝时，对焊缝进行冷却的步骤，具体包括：

获取温度传感器的感知温度，将温度传感器的感知温度发送至所述冷却装置；

根据温度传感器的感知温度，冷却装置控制喷管处液化的冷却气体的流量。

13.根据权利要求12所述的焊接方法，其特征在于，根据温度传感器的感知温度，冷却装置控制喷管处液化的冷却气体的流量的步骤，具体包括：

在温度传感器的感知温度小于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量为预设流量；

在温度传感器的感知温度大于等于预设温度时，所述喷管喷出的液化的冷却气体的流量Q满足以下关系式：

Q＝预设流量+流量系数×△t；

其中，△t为所述温度传感器的感知温度和预设温度的差值。

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