CN112935514B - 一种超声搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声搅拌摩擦焊接装置，包括具有转轴的安装座、与所述安装座连接的静止轴肩、转动式安装在所述静止轴肩上的搅拌针、与所述静止轴肩连接的超声探头、与所述超声探头连接的变幅杆、与所述变幅杆连接的换能器，以及与所述换能器连接的超声波发生器；所述转轴转动式安装在所述安装座上，所述搅拌针与所述转轴连接且同轴转动。本发明还公开了一种超声搅拌摩擦焊接装置的焊接方法。本发明通过超声探头将超声能量传递到被焊工件的待焊区，利用超声软化效应，降低材料塑性变形抵抗力，增强材料流动性，降低焊接过程中的前进阻力及焊接扭矩，改善焊缝组织，属于焊接的技术领域。

Description

一种超声搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接的技术领域，特别是涉及一种超声搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接是一种焊接变形小，绿色无污染的先进固相连接技术。静止轴肩搅拌摩擦焊是基于搅拌摩擦焊基础上提出的新型焊接技术，相比于传统搅拌摩擦焊，具有焊接热输入低，焊缝美观无减薄等优点。在静止轴肩搅拌摩擦焊焊接过程中，由于静止轴肩不发生旋转，因此搅拌工具与被焊工件之间存在较大的前进阻力与旋转扭矩，焊接工具寿命较低。同时，焊接过程中热输入较低，材料流动受限，致使焊接过程中容易发生孔洞及沟槽缺陷，焊接工艺往往采用高转速，低焊速，工艺窗口较窄。目前在搅拌摩擦焊接过程中，降低焊接载荷，提高材料流动性主要采用两种方法：一是焊前预置辅助热源达到软化材料的目的，但这种方法成本较高，效率较低，不具备社会经济效益；二是采用高转速焊接，这种方法对主轴要求较高，同时容易加快焊接工具热疲劳失效。

目前加载超声设计方案主要有三种：第一种是沿着搅拌头中心轴线方向竖直作用在搅拌头上，这种方式的缺点是焊接过程中顶锻力较大，导致超声的振动效果不明显；第二种是利用外设装置，将超声探头直接作用在板材上，在这种加载方式下，超声探头和搅拌头之间存在一定距离，导致超声软化效果不明显；第三种是通过在超声探头和圆柱形搅拌头侧面之间增加滚动滑轮，并使超声探头中心轴线与搅拌头中心轴线垂直，从而完成超声波的横向加载，但这种加载方式会由于中间传导介质的存在造成超声能量的损伤，导致超声传递效果较差。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种超声搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，本发明通过超声探头将超声能量传递到被焊工件的待焊区，利用超声软化效应，降低材料塑性变形抵抗力，增强材料流动性，降低焊接过程中的前进阻力及焊接扭矩，改善焊缝组织。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超声搅拌摩擦焊接装置，包括具有转轴的安装座、与所述安装座连接的静止轴肩、转动式安装在所述静止轴肩上的搅拌针、与所述静止轴肩连接的超声探头、与所述超声探头连接的变幅杆、与所述变幅杆连接的换能器，以及与所述换能器连接的超声波发生器；所述转轴转动式安装在所述安装座上，所述搅拌针与所述转轴连接且同轴转动。

进一步的是，超声搅拌摩擦焊接装置还包括连接件；所述安装座和所述静止轴肩上均设有外螺纹，所述连接件上设有第一螺纹孔；所述安装座和所述静止轴肩均与所述连接件螺纹连接。

进一步的是，超声搅拌摩擦焊接装置还包括用于放置被焊接工件的工作台、活动式安装在所述工作台上的支撑座；所述换能器安装在所述支撑座上。

进一步的是，所述支撑座包括设有滑动式安装在所述工作台上的滑块、固定在所述滑块上的圆弧板；所述换能器固定在所述圆弧板的内圆周面上。

进一步的是，所述滑块上设有滑轮；所述滑块通过所述滑轮滑动式安装在所述工作台上。

进一步的是，所述超声探头、所述变幅杆、所述换能器均呈圆柱状；所述超声探头的轴线、所述变幅杆的轴线、所述换能器的轴线位于同一直线上，所述超声探头的轴线与所述搅拌针的转动轴线相互垂直。

进一步的是，所述静止轴肩具有与所述安装座连接的第一端和用于安装所述搅拌针的第二端，所述静止轴肩的第二端上设有用于排屑的排屑孔，所述排屑孔的轴线与所述搅拌针的轴线相互垂直。

进一步的是，所述静止轴肩上设有轴孔；所述超声探头具有用于卡入所述轴孔的连接轴，所述连接轴与所述轴孔过盈配合。

进一步的是，所述静止轴肩上设有第二螺纹孔，所述超声探头具有与所述静止轴肩螺纹连接的螺纹轴。

一种超声搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

第一步：准备安装座、超声波发生器、换能器、变幅杆、超声探头、静止轴肩、搅拌针，以及被焊接工件；

第二步：在被焊接工件上设置焊缝，将被焊接工件固定并使得焊缝所在的平面朝上；

第三步：将搅拌针安装在静止轴肩上，然后将安装座与静止轴肩连接并使得安装座的转轴与搅拌针连接；

第四步：将超声波发生器、换能器、变幅杆、超声探头、静止轴肩依次连接；

第五步：确定焊接参数；

第六步：打开超声波发生器，设定超声参数；

第七步：控制搅拌针高速旋转并扎入被焊工件，直至静止轴肩的端面与被焊工件接触，停留5s后，驱动搅拌针沿着焊缝移动；搅拌针移动过程中，改变超声探头在焊缝所在的平面的投影与焊缝之间的角度，从而改变超声振动方向，实现在不同超声振动方向下的搅拌摩擦焊接；

第八步：完成焊接，取下被焊接工件。

总的说来，本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的装置通过超声探头将超声能量传递到被焊工件的待焊区，利用超声软化效应，降低材料塑性变形抵抗力，增强材料流动性，减小搅拌头焊接载荷，降低焊接过程中的前进阻力及焊接扭矩，改善焊缝组织。同时，本发明能保证焊接过程中超声波作用效果最大化，同时细化晶粒，扩大焊接工艺窗口，增强接头性能，实现高质量焊接并提高焊接工具寿命。本发明的方法可提高超声作用效果，根据需求改变超声振动方向。

附图说明

图1是超声搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。

图2是静止轴肩和搅拌针的结构示意图。

图3是超声搅拌摩擦焊接装置的工作示意图。

图中，1为安装座，2为静止轴肩，3为搅拌针，4为超声探头，5为变幅杆，6为换能器，7为超声波发生器，8为连接件，9为支撑座，10为被焊接工件；

21为排屑孔，22为第二螺纹孔，41为螺纹轴，91为滑块，92为圆弧板，101为焊缝。

具体实施方

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为叙述方便，除另有说明外，下文所说的上下方向与图1本身的上下方向一致，下文所说的左右方向与图1本身的左右方向一致。

如图1至3所示，本实施例提供一种超声搅拌摩擦焊接装置，包括具有转轴的安装座1、与安装座1连接的静止轴肩2、转动式安装在静止轴肩2上的搅拌针3、与静止轴肩2连接的超声探头4、与超声探头4连接的变幅杆5、与变幅杆5连接的换能器6，以及与换能器6连接的超声波发生器7；转轴转动式安装在安装座1上，搅拌针3与转轴(未画出)连接且同轴转动。被焊接工件10水平放置并固定，被焊接工件10的焊缝101的所在平面朝上。安装座1的转轴外接机械主轴，例如外接电机的输出轴等。搅拌针3位于被焊接工件10的焊缝101的正上方。超声波发生器7发出的超声波依次经过换能器6、变幅杆5、超声探头4、静止轴肩2，静止轴肩2与超声探头4紧密连接，超声波通过超声探头4和静止轴肩2将超声能量传递到被焊工件的待焊区(焊缝101)。超声探头4水平设在被焊工件的上方，超声探头4所在的平面与被焊工件平行。本装置利用超声的软化效应，降低材料塑性变形抵抗力，增强材料流动性，降低焊接过程中的前进阻力及焊接扭矩，改善焊缝101组织。焊接过程中，在水平面内转动超声探头4的时候，超声探头4与焊缝101的夹角发生改变。为了提高超声作用效果，可以通过在水平平面内转动超声探头4来改变超声探头4与焊缝101的夹角，改变超声振动方向，从而提高超声作用效果。

具体的，在一个实施例中，超声搅拌摩擦焊接装置还包括连接件8；安装座1和静止轴肩2上均设有外螺纹，连接件8上设有第一螺纹孔；第一螺纹孔从上往下贯穿连接件8。安装座1和静止轴肩2均与连接件8螺纹连接。连接件8为螺纹套，静止轴肩2位于连接件8的下方，安装座1位于连接件8的上方。

具体的，在一个实施例中，超声搅拌摩擦焊接装置还包括用于放置被焊接工件10的工作台、活动式安装在工作台上的支撑座9；换能器6安装在支撑座9上。工作台图中未画出，工作台上设有工装卡具。支撑座9可以在工作台上移动，从而带动超声探头4移动或者转动，使得超声探头4与焊缝101的夹角发生改变。

具体的，在一个实施例中，支撑座9包括设有滑动式安装在工作台上的滑块91、固定在滑块91上的圆弧板92；圆弧板92的外圆周侧面固定在滑块91上，换能器6的外圆周侧面固定在圆弧板92的内圆周面上。

具体的，在一个实施例中，滑块91为呈等腰梯形的方块，滑块91上设有滑轮(图中未画出)，滑轮为万向轮。滑块91具有安装滑轮的下端面和安装圆弧板92的上端面，下端面的面积大于上端面的面积，增加了滑块91的支撑稳定性。滑块91通过滑轮滑动式且可转动式安装在工作台上。

具体的，在一个实施例中，超声探头4、变幅杆5、换能器6均呈圆柱状；超声探头4的轴线、变幅杆5的轴线、换能器6的轴线位于同一水平直线上，搅拌针3的转动轴线竖直设置并垂直于被焊接工件10，超声探头4的轴线与搅拌针3的转动轴线相互垂直。

具体的，在一个实施例中，静止轴肩2具有与安装座1连接的第一端和用于安装搅拌针3的第二端，静止轴肩2自第一端至第二端的直径逐渐变小，静止轴肩2的第二端上设有用于排屑的排屑孔21，排屑孔21水平贯穿静止轴肩2的第二端，排屑孔21的轴线水平设置并与搅拌针3的轴线相互垂直。排屑孔21的轴线方向与超声探头4的轴线方向相同，排屑孔21的轴线位于超声探头4的轴线的正下方。

具体的，在一个实施例中，静止轴肩2上设有轴孔；超声探头4具有用于卡入轴孔的连接轴，连接轴与轴孔过盈配合。超声探头4通过连接轴与轴孔的配合连接。

具体的，在一个实施例中，静止轴肩2上设有第二螺纹孔22，超声探头4具有与静止轴肩2螺纹连接的螺纹轴41。超声探头4通过螺纹轴41与第二螺纹孔22的配合螺纹连接。

一种超声搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：

第一步：准备安装座、超声波发生器、换能器、变幅杆、超声探头、静止轴肩、搅拌针，以及被焊接工件。

第二步：在被焊接工件上设置焊缝，，利用工装卡具将被焊接工件固定在水平设置的工作台上并使得焊缝所在的平面朝上。

第三步：将搅拌针安装在静止轴肩上，然后将安装座与静止轴肩连接并使得安装座的转轴与搅拌针连接，转轴与外接的机械主轴连接，主轴转动，主轴通过转轴带动搅拌针转动，实现搅拌摩擦焊接。

第四步：将超声波发生器、换能器、变幅杆、超声探头、静止轴肩依次连接；超声波发生器与换能器通过电缆电性连接，换能器、变幅杆、超声探头依次电性连接。

第五步：确定焊接参数；焊接参数包括焊接时搅拌针的下扎点，下扎速度，转速，焊速，焊接距离等。

具体的，在一个实施例中，下扎点距离被焊工件的上表面1mm，下扎速度为6mm/min，转速为200－3000rpm，焊接速度为20－2000mm/min，焊接距离根据工件尺寸进行调整。

第六步：焊接参数准备完毕后，打开超声波发生器，设定超声参数。超声参数范围选取如下：超声波功率为50－2000W，频率为15－60KHz振幅为20－50μm。

第七步：控制搅拌针高速旋转并扎入被焊工件，直至静止轴肩的端面与被焊工件接触，停留5s后，驱动搅拌针沿着焊缝移动；搅拌针移动过程中，超声探头所在的平面与焊缝所在的平面均水平设置且相互平行，超声探头所在的平面位于焊缝所在的平面的上方，在超声探头所在的水平平面转动超声探头，使得超声探头与焊缝的夹角θ发生改变，夹角θ的范围为0°－360°。改变超声探头在焊缝所在的平面的投影与焊缝之间的夹角θ，从而改变超声振动方向，实现在不同超声振动方向下的搅拌摩擦焊接。

第八步：完成焊接，取下被焊接工件。

以上所述仅是本发明的优选实施方，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括具有转轴的安装座、与所述安装座连接的静止轴肩、转动式安装在所述静止轴肩上的搅拌针、与所述静止轴肩连接的超声探头、与所述超声探头连接的变幅杆、与所述变幅杆连接的换能器，以及与所述换能器连接的超声波发生器；所述转轴转动式安装在所述安装座上，所述搅拌针与所述转轴连接且同轴转动；超声探头水平设在被接焊工件的上方，超声探头所在的平面与被焊接工件平行；

还包括用于放置被焊接工件的工作台、活动式安装在所述工作台上的支撑座；所述换能器安装在所述支撑座上；

所述支撑座包括设有滑动式安装在所述工作台上的滑块、固定在所述滑块上的圆弧板；所述换能器固定在所述圆弧板的内圆周面上；

所述滑块上设有滑轮；所述滑块通过所述滑轮滑动式安装在所述工作台上；

所述超声探头、所述变幅杆、所述换能器均呈圆柱状；所述超声探头的轴线、所述变幅杆的轴线、所述换能器的轴线位于同一直线上，所述超声探头的轴线与所述搅拌针的转动轴线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种超声搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：还包括连接件；所述安装座和所述静止轴肩上均设有外螺纹，所述连接件上设有第一螺纹孔；所述安装座和所述静止轴肩均与所述连接件螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种超声搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述静止轴肩具有与所述安装座连接的第一端和用于安装所述搅拌针的第二端，所述静止轴肩的第二端上设有用于排屑的排屑孔，所述排屑孔的轴线与所述搅拌针的轴线相互垂直。

4.根据权利要求1所述的一种超声搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述静止轴肩上设有轴孔；所述超声探头具有用于卡入所述轴孔的连接轴，所述连接轴与所述轴孔过盈配合。

5.根据权利要求1所述的一种超声搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述静止轴肩上设有第二螺纹孔，所述超声探头具有与所述静止轴肩螺纹连接的螺纹轴。

6.一种利用权利要求1所述的超声搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：准备具有转轴的安装座、超声波发生器、换能器、变幅杆、超声探头、静止轴肩、搅拌针，以及被焊接工件；

第二步：在所述被焊接工件上设置焊缝，将所述被焊接工件固定并使得所述焊缝所在的平面朝上；

第三步：将所述搅拌针转动式安装在所述静止轴肩上，然后将所述安装座与所述静止轴肩连接并使得所述安装座的转轴与所述搅拌针连接；

第四步：将所述超声波发生器、所述换能器、所述变幅杆、所述超声探头、所述静止轴肩依次连接；

第五步：确定焊接参数；

第六步：打开所述超声波发生器，设定超声参数；

第七步：控制所述搅拌针高速旋转并扎入所述被焊接工件，直至所述静止轴肩的端面与所述被焊接工件接触，停留5s后，驱动所述搅拌针沿着所述焊缝移动；所述搅拌针移动过程中，改变所述超声探头在所述焊缝所在的平面的投影与所述焊缝之间的角度，从而改变超声振动方向，实现在不同超声振动方向下的搅拌摩擦焊接；

第八步：完成焊接，取下所述被焊接工件。

Images