CN112743249A - 基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法及系统 - Google Patents

基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法及系统 Download PDF

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杨涛
左玉达
庄园
周曾明
陈龙
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K28/00—Welding or cutting not covered by any of the preceding groups, e.g. electrolytic welding
    • B23K28/02—Combined welding or cutting procedures or apparatus

Abstract

本发明提供一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法及系统。该方法包括：焊接前准备；将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板上进行刚性固定；将焊丝装入送丝系统；调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数；焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化；焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊接结束。该系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、焊接工作台。通过该方法及系统进行异种金属的焊接，能够抑制金属间化合物生成，细化晶粒，平整焊缝，获得性能良好的焊接接头。

Description

基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法及系统
技术领域
本发明涉及基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法及系统，属于焊接技术领域。
背景技术
科学技术的不断进步对各类工程机械构件的性能如拉伸剪切性能、轻量化等方面提出了更高的要求，单一的金属材料已经不能满足要求，因此异种金属的焊接受到人们的广泛关注，异种金属的焊接具有能充分利用各组成材料的优异性能，降低成产成本，在各行各业中具有广泛的应用前景。
异种金属的物理和化学性能对焊接性起到至关重要，当异种金属的物理和化学性能相差较大时，容易形成金属间化合物，从而使焊接接头的强度降低。经研究发现，金属间化合物呈弥散细小的晶粒分布时对焊接接头的强度影响最小；降低金属间化合物的另一种形式是添加合金元素，通过添加合金元素可以改变界面区金属间化合物的种类、生成量，减缓脆性化合物生成速率，提高接头性能。
搅拌摩擦焊是一种基于强化焊接原理的固相焊接技术，在焊接过程中没有被焊工件母材金属熔化的现象，具有焊前准备简单，焊接过程中没有飞溅，没有弧光，具有焊接变形小，成产效率高的优点，同时搅拌摩擦焊接中气孔、夹杂和裂纹等缺陷也比较少。因此，搅拌摩擦焊接技术受到广泛的应用，现在已经从铝等低熔点金属逐步扩展到低碳钢、不锈钢等高熔点金属的焊接。而搅拌摩擦焊通过其搅拌头的搅拌强化过程通过其加压和搅拌可以将材料塑化并被搅拌混合，经过回复与再结晶将晶粒打碎并细化。
因此，发明一种能够抑制焊接接头金属间化合物的生成，提高接头性能的焊接方法及系统来完成异种金属的焊接是非常有必要的。
发明内容
本发明的第一发明目的：提供一种能够抑制焊接接头中的金属间化合物的生成，提高接头性能的焊接方法来完成异种金属的焊接。
本发明实现其第一发明目的所采取的技术方案是：一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，所述方法包括具体步骤如下：
S1、进行焊接前准备，所述焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口；
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板上进行刚性固定；
S3、将焊丝装入送丝系统；
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数；
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化；
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊接结束。
进一步，所述焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，所述焊接接头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；所述焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离；
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口；
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝；
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
该方法根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，对待焊接工件开设焊接坡口，实现了待焊接工件材料同焊接坡口的匹配、待焊接工件材料同焊接接头界面层的匹配、焊接坡口同焊接接头界面层的匹配。另外，通过该方法得到的焊接接头界面层所含的合金元素的种类与数量同搅拌头的材料特性相匹配，能够改变搅拌头根据不同待焊材料而更换的原则，从而达到不因焊接材料的更换而更换搅拌头，进而提高焊接效率。
进一步，所述焊接坡口的形式包括：U型坡口、矩形坡口、V型坡口、半V型坡口。
进一步，在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为20～80mm。
进一步，焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min。
进一步，将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式或TIG焊接方式。
进一步，焊接电流为120～150A；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa。
进一步，所述焊接接头界面层目标余高不低于待焊接工件厚度的1/5，且不超过待焊接工件厚度的1/3。
本发明的第二发明目的：提供一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，通过该系统进行异种金属的焊接，能够细化晶粒，平整焊缝，打平余高，进而提高接头性能。
本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是：一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，所述系统是基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法进行工作的，所述系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、焊接工作台；所述电弧熔入子系统包括焊枪；所述搅拌强化子系统包括搅拌头；
所述电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝金属熔入焊接坡口中；
所述搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属进行搅拌强化。
进一步，所述电弧熔入子系统与所述搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制；或所述电弧熔入子系统与所述搅拌强化子系统由一个控制中心共同控制。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
(一)本发明提供的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，该方法不但具有通过金属元素的添加可以抑制异种金属焊接的金属间化合物的生成的优势，而且具有搅拌摩擦焊的优势，即细化晶粒、平整焊缝和强化焊接接头力学性能的优势。采用该方法进行焊接的过程中，通过控制焊枪和搅拌头之间保持一定距离，保证焊枪和搅拌头不发生碰撞，同时保证搅拌头能够及时对处于热塑性状态的焊丝金属进行搅拌强化。因此，采用该方法进行焊接不仅可以节约焊接时间，还能够提高焊接质量，减少搅拌头的磨损，降低焊接成本。
(二)本发明提供的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，该系统结合电弧焊与搅拌摩擦焊的特点，设置有电弧熔入子系统和搅拌强化子系统，通过焊枪和搅拌头之间距离的控制，充分发挥添加金属元素对金属间化合物的抑制作用以及搅拌强化的优势，进而提高焊接质量与焊接效率，减少搅拌头的磨损。通过该系统进行异种金属的焊接，能够细化晶粒，平整焊缝，打平余高，获得性能良好的焊接接头。
下面通过具体实施方式及附图对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明实施例基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法流程图。
图2是本发明实施例常见的焊接坡口的形式。
图3是本发明实施例一焊接过程中搅拌头即将开始搅拌工作的结构示意图。
图4是本发明实施例一焊接过程中焊丝熔入结束焊枪抬起的结构示意图。
图5是采用普通电弧焊接方法和本发明实施例一基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法得到的焊缝对比图。
图6是本发明实施例一搅拌强化前后晶粒结构示意图。
图7是本发明实施例基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统结构示意图，其中，1为搅拌强化机器人，2为焊接工作台，3为电弧焊焊接机器人，4为电弧焊焊接机器人控制柜，5为焊接保护气气瓶，6为电弧焊焊机，7为搅拌强化焊机，8为搅拌头，9为焊枪。
具体实施方式
实施例一
本例采用基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法对4mm的6061铝合金板和4mm的304不锈钢板进行焊接。图1为基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法流程图。下面结合具体情况进行描述：
本例待焊接工件：4mm的6061铝合金板和4mm的304不锈钢板。
本例搅拌头：H13工具钢搅拌头。
S1、进行焊接前准备，焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，焊接接头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离。
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
图2给出了几种常见的焊接坡口的形式，其中图(a)所示为U型坡口，图(b)所示为矩形坡口，图(c)所示为V型坡口，图(d)所示为半V型坡口。
本例是将4mm的6061铝合金板和4mm的304不锈钢板的待焊接部位分别沿边缘开2mm深且距侧边3mm宽的V型坡口(其结构如图2(c)所示)。
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝。
本例焊丝：铝基焊料含Cu4％～6.8％。
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板(垫板为碳钢板)上进行刚性固定。
S3、将焊丝装入送丝系统。
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数。
本例调整焊枪和搅拌头的位置，保证在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为40～70mm。设置焊接工艺参数：焊接电流为120～150A；焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa；以氩气为焊接保护气体，氩气流量为10L/min；焊接接头界面层目标余高为待焊接工件的厚度的1/4，即1mm。
本例将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式。
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化。
图3给出了焊接过程中搅拌头即将开始搅拌工作的结构示意图。
焊丝金属在电弧焊熔入焊丝的热传导和搅拌头的强化热共同作用下处于热塑性状态，随着搅拌头沿焊接路径向前移动，处于热塑性状态的焊丝金属逐渐凝固，最终形成焊缝。
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊枪行进到焊接路径末端处焊枪息弧，并且搅拌头行进到焊接路径末端处搅拌头抬出，焊接结束。
图4给出了焊接过程中焊丝熔入结束焊枪抬起的结构示意图。
图5是采用普通电弧焊接方法和本例基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法得到的焊缝对比图。其中，采用普通电弧焊接方法得到的焊缝形貌如图(a)所示，以及其焊缝横截面情况如图(c)所示；采用本例基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法得到的焊缝形貌如图(b)所示，以及其焊缝横截面情况如图(d)所示。由图5可知，采用普通电弧焊接方法得到的焊缝具有明显的余高(即焊缝高出焊接工件表面的高度)，而采用本例基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法得到的焊缝与焊接工件表面平齐，焊缝平整，能够降低后续焊缝打磨的需求。显然，采用本发明基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法进行焊接，具有平整焊缝、打平余高的优势。
图6给出了本例中搅拌强化前后晶粒结构示意图，其中图(a)为搅拌强化前晶粒结构示意图，图(b)为搅拌强化后晶粒结构示意图。由图6可知，由电弧焊接熔入界面层后的焊接接头截面，其晶粒粗大，如图(a)所示；而经过搅拌强化子系统搅拌强化后，其晶粒较为细小，如图(b)所示。通过搅拌强化前后晶粒大小比较得出，通过本发明方法可以有效细化晶粒结构，进而保证焊接头的质量。
另外，本例通过如图7所示的基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，采用上述方法进行4mm的6061铝合金板和4mm的304不锈钢板的焊接。该系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、2焊接工作台。本例中，电弧熔入子系统包括：9焊枪、3电弧焊焊接机器人、4电弧焊焊接机器人控制柜、5焊接保护气气瓶、6电弧焊焊机；搅拌强化子系统包括：8搅拌头、1搅拌强化机器人、7搅拌强化焊机。
电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝熔入焊接坡口中。
搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的金属进行搅拌强化。
本例中，电弧熔入子系统与搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制。
实施例二
本例采用基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法对4mm的6061铝合金板和4mm的C26000铜合金板进行焊接。图1为基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法流程图。下面结合具体情况进行描述：
本例待焊接工件：4mm的6061铝合金板和4mm的C26000铜合金板。
本例搅拌头：H13工具钢搅拌头。
S1、进行焊接前准备，焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，焊接接头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离。
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
图2给出了几种常见的焊接坡口的形式，其中图(a)所示为U型坡口，图(b)所示为矩形坡口，图(c)所示为V型坡口，图(d)所示为半V型坡口。
本例是将4mm的6061铝合金板和4mm的C26000铜合金板的待焊接部位开设U型坡口(其结构如图2(a)所示)。
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝。
本例焊丝：铝基焊料含Si9％～12％。
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板(垫板为碳钢板)上进行刚性固定。
S3、将焊丝装入送丝系统。
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数。
本例调整焊枪和搅拌头的位置，保证在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为30～60mm。设置焊接工艺参数：焊接电流为120～150A；焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa；以氩气为焊接保护气体，氩气流量为10L/min；焊接接头界面层目标余高为待焊接工件的厚度的1/3。
本例将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式。
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化。
焊丝金属在电弧焊熔入焊丝的热传导和搅拌头的强化热共同作用下处于热塑性状态，随着搅拌头沿焊接路径向前移动，处于热塑性状态的焊丝金属逐渐凝固，最终形成焊缝。
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊枪行进到焊接路径末端处焊枪息弧，并且搅拌头行进到焊接路径末端处搅拌头抬出，焊接结束。
另外，本例通过如图7所示的基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，采用上述方法进行4mm的6061铝合金板和4mm的C26000铜合金板的焊接。该系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、2焊接工作台。本例中，电弧熔入子系统包括：9焊枪、3电弧焊焊接机器人、4电弧焊焊接机器人控制柜、5焊接保护气气瓶、6电弧焊焊机；搅拌强化子系统包括：8搅拌头、1搅拌强化机器人、7搅拌强化焊机。
电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝熔入焊接坡口中。
搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的金属进行搅拌强化。
本例中，电弧熔入子系统与搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制。
实施例三
本例采用基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法对4mm的6061铝合金板和4mm的A356铝合金板进行焊接。图1为基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法流程图。下面结合具体情况进行描述：
本例待焊接工件：4mm的6061铝合金板和4mm的A356铝合金板。
本例搅拌头：H13工具钢搅拌头。
S1、进行焊接前准备，焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，焊接接头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离。
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
图2给出了几种常见的焊接坡口的形式，其中图(a)所示为U型坡口，图(b)所示为矩形坡口，图(c)所示为V型坡口，图(d)所示为半V型坡口。
本例是将4mm的6061铝合金板和4mm的A356铝合金板的待焊接部位开设V型坡口(其结构如图2(c)所示)。
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝。
本例焊丝：铝基焊料含Si5％～9％。
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板(垫板为碳钢板)上进行刚性固定。
S3、将焊丝装入送丝系统。
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数。
本例调整焊枪和搅拌头的位置，保证在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为20～50mm。设置焊接工艺参数：焊接电流为120～150A；焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa；以氩气为焊接保护气体，氩气流量为10L/min；焊接接头界面层目标余高为待焊接工件的厚度的1/3。
本例将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式。
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化。
焊丝金属在电弧焊熔入焊丝的热传导和搅拌头的强化热共同作用下处于热塑性状态，随着搅拌头沿焊接路径向前移动，处于热塑性状态的焊丝金属逐渐凝固，最终形成焊缝。
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊枪行进到焊接路径末端处焊枪息弧，并且搅拌头行进到焊接路径末端处搅拌头抬出，焊接结束。
另外，本例通过如图7所示的基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，采用上述方法进行4mm的6061铝合金板和4mm的A356铝合金板的焊接。该系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、2焊接工作台。本例中，电弧熔入子系统包括：9焊枪、3电弧焊焊接机器人、4电弧焊焊接机器人控制柜、5焊接保护气气瓶、6电弧焊焊机；搅拌强化子系统包括：8搅拌头、1搅拌强化机器人、7搅拌强化焊机。
电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝熔入焊接坡口中。
搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的金属进行搅拌强化。
本例中，电弧熔入子系统与搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制。
实施例四
本例采用基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法对4mm的TC4钛合金板和4mm的304不锈钢板进行焊接。图1为基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法流程图。下面结合具体情况进行描述：
本例待焊接工件：4mm的TC4钛合金板和4mm的304不锈钢板。
本例搅拌头：H13工具钢搅拌头。
S1、进行焊接前准备，焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，焊接接头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离。
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口。
图2给出了几种常见的焊接坡口的形式，其中图(a)所示为U型坡口，图(b)所示为矩形坡口，图(c)所示为V型坡口，图(d)所示为半V型坡口。
本例是将4mm的TC4钛合金板和4mm的304不锈钢板的待焊接部位开设U型坡口(其结构如图2(a)所示)。
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝。
本例焊丝：铜基焊料含Ni9％～11％。
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板(垫板为碳钢板)上进行刚性固定。
S3、将焊丝装入送丝系统。
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数。
本例调整焊枪和搅拌头的位置，保证在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为50～80mm。设置焊接工艺参数：焊接电流为120～150A；焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa；以氩气为焊接保护气体，氩气流量为10L/min；焊接接头界面层目标余高为待焊接工件的厚度的1/5。
本例将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式。
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化。
焊丝金属在电弧焊熔入焊丝的热传导和搅拌头的强化热共同作用下处于热塑性状态，随着搅拌头沿焊接路径向前移动，处于热塑性状态的焊丝金属逐渐凝固，最终形成焊缝。
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及搅拌强化过程，直至焊枪行进到焊接路径末端处焊枪息弧，并且搅拌头行进到焊接路径末端处搅拌头抬出，焊接结束。
另外，本例通过如图7所示的基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，采用上述方法进行4mm的TC4钛合金板和4mm的304不锈钢板的焊接。该系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、2焊接工作台。本例中，电弧熔入子系统包括：9焊枪、3电弧焊焊接机器人、4电弧焊焊接机器人控制柜、5焊接保护气气瓶、6电弧焊焊机；搅拌强化子系统包括：8搅拌头、1搅拌强化机器人、7搅拌强化焊机。
电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝熔入焊接坡口中。
搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的金属进行搅拌强化。
本例中，电弧熔入子系统与搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制。
实施例一至实施例四中将焊丝金属熔入焊接坡口的方式也可以是采用TIG焊接方式，电弧熔入子系统与搅拌强化子系统也可以由一个控制中心共同控制，等等，此处不再进行重复描述。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受本文所示的实施例限制。

Claims (10)

1.一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，所述方法包括具体步骤如下：
S1、进行焊接前准备，所述焊接前准备包括对待焊接工件的待焊接部位开设焊接坡口；
S2、将待焊接工件沿待焊接部位对接放在垫板上进行刚性固定；
S3、将焊丝装入送丝系统；
S4、调整焊枪和搅拌头的位置，设置焊接工艺参数；
S5、焊接开始，在电弧作用下焊丝金属熔入焊接坡口，随着焊枪沿焊接路径向前移动，搅拌头的轴肩和搅拌针接触到焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属，并随之进行搅拌强化；
S6、焊枪和搅拌头沿着焊接路径不断进行焊丝金属熔入以及交办强化过程，直至焊接结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，所述焊接前准备包括具体操作如下：
S1-1、根据待焊接工件和搅拌头的材料特性进行焊接接头界面层的设计，所述焊接街头界面层的设计包括设计焊接坡口的形状与尺寸、焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量、焊接接头界面层目标余高；所述焊接接头界面层目标余高是指熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的目标距离；
S1-2、依据所设计的焊接坡口的形状与尺寸，对待焊接工件的待焊接部位开设焊接破口；
S1-3、依据所设计的焊接接头界面层所含合金元素的种类与数量，选择或制备匹配的焊丝；
S1-4、依据所述焊接接头界面层的设计，选择匹配的焊接工艺参数，满足：在焊接过程中，熔入焊接坡口的焊丝金属高出待焊接工件表面的距离等于所述焊接接头界面层目标余高，并且焊枪和搅拌头不发生碰撞。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，所述焊接坡口的形式包括：U型坡口、矩形坡口、V型坡口、半V型坡口。
4.根据权利要求1所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，在沿着焊接路径的行进方向上，焊枪和搅拌头之间始终保持距离为20～80mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，焊枪和搅拌头沿着焊接路径的行进速度均为330～350mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，将焊丝金属熔入焊接坡口的方式是采用MIG焊接方式或TIG焊接方式。
7.根据权利要求1所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，焊接电流为120～150A；搅拌头的旋转速度为1000～1500r/min；搅拌头的压力为100MPa。
8.根据权利要求2所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化方法，其特征在于，所述焊接接头界面层目标余高不低于待焊接工件厚度的1/5，且不超过待焊接工件厚度的1/3。
9.一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，其特征在于，所述系统是基于如权利要求1～8任一所述方法进行工作的，所述系统包括：电弧熔入子系统、搅拌强化子系统、焊接工作台；所述电弧熔入子系统包括焊枪；所述搅拌强化子系统包括搅拌头；
所述电弧熔入子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断将焊丝金属熔入焊接坡口中；
所述搅拌强化子系统用于在焊接过程中沿着焊接路径不断对焊接坡口中处于热塑性状态的焊丝金属进行搅拌强化。
10.根据权利要求9所述的一种基于基层材料电弧熔入的复合层焊缝搅拌强化系统，其特征在于，所述电弧熔入子系统与所述搅拌强化子系统由两个控制中心独立控制；或所述电弧熔入子系统与所述搅拌强化子系统由一个控制中心共同控制。
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