CN113319419A - 一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，包括控制系统、焊接机构、水管、检测机构和驱动机构，控制系统与焊接机构电性连接，用于驱使样品中的两焊件相互摩擦进行线性摩擦焊；水管用于与水源连接并能输出水流；控制系统分别与检测机构、驱动机构电性连接，检测机构用于检测焊缝的位置并发送检测信号，控制系统用于接收检测信号并使驱动机构驱使水管随焊缝同步运动，使水管能将水流输出并覆盖整个样品或样品上的任意位置。本发明还公开了一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法。本发明能够对焊件进行有效水冷，可满足线性摩擦焊中精准位置的冷却，且可适用于不同尺寸的样品，有利于提高适用性。

Description

一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及线性摩擦焊接领域，尤其涉及一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置及方法。

背景技术

铝合金因其质量轻、比强度高、导热性能好和耐腐蚀性能好等优点而被广泛应用在航空航天和汽车工业领域。在工程应用中，因部件结构的特殊性，需要将铝合金零件进行焊接。线性摩擦焊接可避免熔焊带来的疏松、夹杂、气孔及裂纹缺陷，且焊接过程可完全机械化和自动控制，焊接过程优质高效、环境友好。但是对于沉淀强化态铝合金，在线性摩擦焊过程中产生的热循环会导致接头沉淀相的重溶和粗化，进而导致了接头的软化。为此，控制线性摩擦焊过程中的热量产生是保证沉淀相长大的一种有效方法。

通常采用调节工艺参数来降低焊接过程中的热循环，如振幅、焊接压力、频率、焊接时间。但是只改变工艺参数对降低热循环的程度是有限的，除此之外，我们还可以考虑借助流动水冷却方式进一步降低热循环。对样品进行水下焊接，此方法已经在搅拌摩擦焊中证实有效。由于线性摩擦焊与搅拌摩擦焊装置结构差别较大，线性摩擦焊的两焊件以一定的振幅A和频率f相互摩擦，而搅拌摩擦焊的焊件是固定不动的，因此，现有技术中的线性摩擦焊几乎不能实现水下的焊接方式，只能通过固定位置的喷头喷射的方式进行水冷，不能满足线性摩擦焊中精准位置的冷却，且只能适用于单一尺寸的样品，适用性较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，能够对焊件进行有效水冷，可满足线性摩擦焊中精准位置的冷却，且可适用于不同尺寸的样品，有利于提高适用性。

本发明的目的之二在于提供一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，包括：

控制系统；

焊接机构，所述控制系统与焊接机构电性连接，用于驱使样品中的两焊件相互摩擦进行线性摩擦焊；

水管，用于与水源连接并能输出水流；

检测机构和驱动机构，所述控制系统分别与检测机构、驱动机构电性连接，所述检测机构用于检测焊缝的位置并发送检测信号，所述控制系统用于接收检测信号并使驱动机构驱使水管随焊缝同步运动，使所述水管能将水流输出并覆盖整个样品或样品上的任意位置。

进一步地，所述驱动机构用于驱动水管在水平方向和竖直方向上移动。

进一步地，还包括控制阀，所述控制系统与控制阀电性连接，用于使所述控制阀打开或关闭所述水管。

进一步地，还包括压力调节阀，所述控制系统与压力调节阀电性连接，用于调整所述水管水压的大小。

进一步地，还包括水流速度调节阀，所述控制系统与水流速度调节阀电性连接，用于调整所述水管的水流速度大小。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，包括如下步骤：

1)线性摩擦焊焊前准备：清除焊件待焊表面的粉尘和油污，保持表面的清洁，确定焊接面积；

2)确定焊接工艺参数：将焊件进行对中，固定，选择合适的工艺参数以保证接头的成型；

3)水下焊接：使焊接机构按照预设的工艺参数驱使样品中的两焊件相互摩擦产生热量，两焊件的接触面处软化；向焊缝处输出水流并使水流随焊缝同步运动，使水流覆盖整个样品或样品上的任意位置。

进一步地，所述水下焊接步骤中，水流的水压和水流速度可根据焊缝大小进行调节。

进一步地，所述焊缝的面积范围为25-100mm×50-100mm，水流水压范围为0.2-1.0MPa，水流速度范围为0.6-2.0m/s。

进一步地，水流持续至焊接结束后1-3min。

进一步地，所述预设的工艺参数为：振幅范围为1-4mm，频率范围为30-50HZ，焊接压力范围为30-80MPa，焊接时间范围为2-8s。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明可适用于不同尺寸的样品，满足了线性摩擦焊中精准位置的冷却，能有效降低线性摩擦焊接过程中的热循环影响，有利于提高焊接接头硬度，减小焊接接头软化范围。线性摩擦焊接的最低硬度值比常规线性摩擦焊接的最低硬度值提高了约10-20％，软化范围减小了20-25％。

附图说明

图1为本发明实施例中提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置其水管的结构示意图；

图2为实施例1中1#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图；

图3为对比实施例1中1#6063铝合金线性摩擦焊接头的硬度分布图；

图4为实施例2中2#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图；

图5为对比实施例2中2#6063铝合金线性摩擦焊接头的硬度分布图；

图6为实施例3中3#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图。

图中：10、水管；20、焊缝。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，包括控制系统、焊接机构、水管10、检测机构和驱动机构，控制系统与焊接机构电性连接，用于驱使样品中的两焊件相互摩擦进行线性摩擦焊；水管10用于与水源连接并能输出水流；控制系统分别与检测机构、驱动机构电性连接，检测机构用于检测焊缝20的位置并发送检测信号，控制系统用于接收检测信号并使驱动机构驱使水管10随焊缝20同步运动，使水管10能将水流输出并覆盖整个样品或样品上的任意位置。

这样，该装置的水管10可随焊缝20同步运动，水管10输出的水流可将整个样品或样品上的任意位置有效覆盖，使得样品能进行水下焊接，可满足线性摩擦焊中精准位置的冷却，且可适用于不同尺寸的样品，有利于提高适用性。

在具体实施时，焊接机构为现有的焊接设备，能使两焊件产生接触并相互摩擦，使两焊件的接触面处产生大量热量而实现软化，从而形成焊接接头。

在具体实施时，检测机构可以为位置传感器，以利于对焊缝20的位置进行实时检测。具体地，可以为摄像设备，能提高对焊缝20位置进行实时检测的效率。

当然，检测机构还可以是速度传感器、热敏传感器等。

在本实施例中，还包括控制阀，控制系统与控制阀电性连接，用于使控制阀打开或关闭水管10，可对水冷的启停进行有效控制。

在本实施例中，还包括压力调节阀，该控制系统与压力调节阀电性连接，用于调整水管10水压的大小，有利于提高水冷效率。

在本实施例中，还包括水流速度调节阀，该控制系统与水流速度调节阀电性连接，用于调整水管10的水流速度大小，有利于提高水冷效率。

在本实施例中，控制阀、压力调节阀、水流速度调节阀能分别控制各水管10的通断、水压和水流速度，这样，可选择打开或关闭部分水管10，也可以选择打开或关闭全部水管10，可控制打开的水管10中水流的压力大小和水流速度大小，有利于更好地控制水冷效率。

在本实施例中，水管10的长度可根据生产需要设置，以使水管10受到外力作用能有效运动，从而实现使水管10运动至所需位置。

在本实施例中，水管10的两端上设有进水口和出水口，驱动机构能驱动在水管10随焊缝20同步运动以精准调整水管10的位置，使得水管10中的水经出水口输出后形成水流能覆盖整个样品或样品上的任意位置，使两焊件实现水下焊接，可降低线性摩擦焊接过程中的热循环影响，有利于提高焊接接头硬度，减小焊接接头软化范围。

在本实施例中，水源为自来水水龙头，水管10的进水口连接水龙头，水管10优选采用易于发生形变的材料制成，使水管10受外力作用易于发生相变，便于水管10上水管10的有效移动。

作为优选的实施方式，本实施例的水管10可以为软胶管、波纹管等。

在本实施例中，该驱动机构能驱动水管10沿在水平方向和竖直方向移动，使装置可适用于不同尺寸的样品的整体或局部冷却，有利于提高适用性。

作为优选的实施方式，该驱动机构包括滚珠丝杠和电机，水管10靠近水管10的一端安装在滚珠丝杠上，通过电机驱动滚珠丝杠在水平方向和竖直方向移动，以使水管10能随焊缝20同步移动，使得水管10中的水经出水口输出后能覆盖整个样品或样品上的任意位置。具体地，电机与控制系统电性连接，控制系统根据检测机构的检测信号，使电机的运转速度满足生产需要，以使水管10能精准移动至焊缝20上方，以利于输出的水流能对焊缝20的整体或局部有效覆盖。

当然，驱动机构也可以为气缸、油缸等，通过气缸、油缸等驱动水管10在水平方向和竖直方向移动。

此外，作为另一实施方式，水源也可以为水箱，水箱上设有用于装水的内腔，水管10安装在水箱上，出水口与内腔连通，通过驱动机构驱动水管10和水箱一同随焊缝同步移动。具体地，驱动机构可以是电机、油缸或气缸等，水管10的材料不受限制，如可以是不锈钢水管、硬胶水管、软胶水管等，其长度可以设置得较短。

在本实施例中，水管10的数量设置为3根，3根水管10在使用时可精准移动至焊缝20上侧，且分别沿焊缝20的长度方向依次布置，为方便描述，分别设为1号水管、2号水管和3号水管，这样，有利于使两焊件形成水下焊接，提高水冷效率，可降低线性摩擦焊接过程中的热循环影响，有利于提高焊接接头硬度，减小焊接接头软化范围。

基于提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，本发明实施例还提供一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，在线性摩擦焊过程中对两焊件的焊缝20进行高速喷射流动水，实现快速冷却和降低热循环周次/影响，控制析出相粗化，提高接头硬度，减小接头软化范围，并提高接头的力学性能。

上述方法包括如下步骤：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将焊件进行对中，固定，通过以往实验经验，采用焊接机构进行焊接，设定振幅为2mm，频率为40Hz，焊接压力为50MPa，焊接时间为5.5s。

3)水下焊接：控制系统使焊接机构按照预设的工艺参数驱使两焊件相互摩擦产生热量，两焊件的接触面处软化；控制系统接收检测机构实时检测焊缝20位置发出的检测信号，控制系统根据检测信号使驱动机构驱使水管10随焊缝20同步运动，水管10输出的水流将焊缝20覆盖；其中，控制系统根据焊缝20的面积，使压力调节阀调整水管10的水压为0.4MPa，使水流速度调节阀调整水管10的水流速度为1.2m/s，同时使控制阀打开1号和3号水管，上述水管10沿焊缝20的延伸方向依次布置，水流覆盖整个焊缝20，直至焊接结束，结束后继续水冷1-3min。

通过上述焊接过程，获得的1#6063铝合金的水下线性摩擦焊接头无宏观缺陷，获得了良好的连接。

图2为1#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图，沿着焊接方向采用维氏显微硬度计对接头剖面进行硬度测量，每隔1mm打一个点，可以看出接头发生了一定程度的软化，硬度从离焊核中心-6mm的位置和6mm的位置开始下降，则软化范围取两者绝对值的和12mm，最低硬度值为71HV。

对比实施例1：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将焊件进行对中，固定，通过以往实验经验，设定振幅为2mm，频率为40Hz，焊接压力为50MPa，焊接时间为5.5s。

3)线性摩擦焊接：按照预设的工艺参数进行线性摩擦焊接，空气冷却。

通过上述焊接过程，图3为1#6063铝合金线性摩擦焊接头的硬度分布图，可以看出接头发生了一定程度的软化，硬度从离焊核中心-9mm的位置和6mm的位置开始下降，则软化范围取两者绝对值的和15mm，最低硬度值为62HV。实施例1相比于本实施例，1#焊件水下线性摩擦焊接的最低硬度值比常规线性摩擦焊接的最低硬度值提高了14.5％，软化范围减小了20％。

实施例2：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将待焊板材进行对中，固定，通过以往实验经验，设定振幅为2mm，频率为45Hz，焊接压力为45MPa，焊接时间为3.5s。

3)水下焊接：控制系统使焊接机构按照预设的工艺参数驱使两焊件相互摩擦产生热量，两焊件的接触面处软化；控制系统接收检测机构实时检测焊缝20位置发出的检测信号，控制系统根据检测信号使驱动机构驱使水管10随焊缝20同步运动，水管10输出的水流将焊缝20覆盖；其中，控制系统根据焊缝20的面积，使压力调节阀调整水管10的水压为0.4MPa，使水流速度调节阀调整水管10的水流速度为1.2m/s，同时使控制阀打开打开1号和3号水管，上述水管10沿焊缝20的延伸方向依次布置，水流覆盖整个焊缝20，直至焊接结束，结束后继续水冷1-3min。

通过上述焊接过程，获得的2#6063铝合金水下线性摩擦焊接头无宏观缺陷，获得了良好的连接。

图4为2#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图，沿着焊接方向采用维氏显微硬度计对接头剖面进行硬度测量，每隔1mm打一个点，可以看出接头发生了一定程度的软化，硬度从离焊核中心-6mm的位置和6mm的位置开始下降，则软化范围取两者绝对值的和12mm，最低硬度值为66HV。

装置同实施例1。

对比实施例2：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将待焊板材进行对中，固定，通过以往实验经验，设定振幅为2mm，频率为45Hz，焊接压力为45MPa，焊接时间为3.5s。。

3)线性摩擦焊接：按照预设的工艺参数进行线性摩擦焊接，空气冷却。

通过上述焊接过程，图5为2#6063铝合金线性摩擦焊接头的硬度分布图，可以看出接头发生了一定程度的软化，硬度从离焊核中心-7.5mm的位置和7.5mm的位置开始下降，则软化范围取两者绝对值的和15mm，最低硬度值为59HV。实施例2相比于本实施例，水下线性摩擦焊接的最低硬度值比常规线性摩擦焊接的最低硬度值提高了11.9％，软化范围减小了20％。

实施例3：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将待焊板材进行对中，固定，通过以往实验经验，设定振幅为2mm，频率为40Hz，焊接压力为50MPa，焊接时间为5.5s。

3)水下焊接：控制系统使焊接机构按照预设的工艺参数驱使两焊件相互摩擦产生热量，两焊件的接触面处软化；控制系统接收检测机构实时检测焊缝20位置发出的检测信号，控制系统根据检测信号使驱动机构驱使水管10随焊缝20同步运动，水管10输出的水流将焊缝20覆盖；其中，控制系统根据焊缝20的面积，使压力调节阀调整水管10的水压为1MPa，使水流速度调节阀调整水管10的水流速度为2m/s，同时使控制阀打开1号、2号和3号水管，上述水管10沿焊缝20的延伸方向依次布置，水流覆盖整个焊缝20，直至焊接结束，结束后继续水冷1-3min。

通过上述焊接过程，获得的3#6063铝合金水下线性摩擦焊接头无宏观缺陷，获得了良好的连接。

图6为3#6063铝合金水下线性摩擦焊接头的硬度分布图，沿着焊接方向采用维氏显微硬度计对接头剖面进行硬度测量，每隔1mm打一个点，可以看出接头发生了一定程度的软化，硬度从离焊核中心-5mm的位置和6mm的位置开始下降，则软化范围取两者绝对值的和11mm，最低硬度值为75HV。

装置同实施例1。

对比实施例3(与对比实施例1相同)：

1)线性摩擦焊焊前准备：确定焊件为6063-T5态铝合金板材，焊缝20的面积为25mm×50mm随后清除样品待焊表面的粉尘和油污，保持焊接表面的清洁。

2)确定焊接工艺参数：将待焊板材进行对中，固定，通过以往实验经验，设定振幅为2mm，频率为40Hz，焊接压力为50MPa，焊接时间为5.5s。

3)线性摩擦焊接：按照预设的工艺参数进行线性摩擦焊接，空气冷却。

实施例3相比于本实施例，通过上述焊接过程，水下线性摩擦焊接的最低硬度值比常规线性摩擦焊接的最低硬度值提高了21％，软化范围减小了26.7％。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，其特征在于，包括：

控制系统；

焊接机构，所述控制系统与焊接机构电性连接，用于驱使样品中的两焊件相互摩擦进行线性摩擦焊；

水管(10)，用于与水源连接并能输出水流；

检测机构和驱动机构，所述控制系统分别与检测机构、驱动机构电性连接，所述检测机构用于检测焊缝(20)的位置并发送检测信号，所述控制系统用于接收检测信号并使驱动机构驱使水管(10)随焊缝(20)同步运动，使所述水管(10)能将水流输出并覆盖整个样品或样品上的任意位置。

2.如权利要求1所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，其特征在于：所述驱动机构用于驱动水管(10)在水平方向和竖直方向上移动。

3.如权利要求1所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，其特征在于：还包括控制阀，所述控制系统与控制阀电性连接，用于使所述控制阀打开或关闭所述水管(10)。

4.如权利要求1所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，其特征在于：还包括压力调节阀，所述控制系统与压力调节阀电性连接，用于调整所述水管(10)水压的大小。

5.如权利要求1所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置，其特征在于：还包括水流速度调节阀，所述控制系统与水流速度调节阀电性连接，用于调整所述水管(10)的水流速度大小。

6.一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)线性摩擦焊焊前准备：清除焊件待焊表面的粉尘和油污，保持表面的清洁，确定焊接面积；

2)确定焊接工艺参数：将焊件进行对中，固定，选择合适的工艺参数以保证接头的成型；

3)水下焊接：使焊接机构按照预设的工艺参数驱使样品中的两焊件相互摩擦产生热量，两焊件的接触面处软化；向焊缝处输出水流并使水流随焊缝(20)同步运动，使水流覆盖整个样品或样品上的任意位置。

7.如权利要求6所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，其特征在于：所述水下焊接步骤中，水流的水压和水流速度可根据焊缝大小进行调节。

8.如权利要求7所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，其特征在于：所述焊缝(20)的面积范围为25-100mm×50-100mm，水流水压范围为0.2-1.0MPa，水流速度范围为0.6-2.0m/s。

9.如权利要求6所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，其特征在于：水流持续至焊接结束后1-3min。

10.如权利要求6所述的提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的方法，其特征在于：所述预设的工艺参数为：振幅范围为1-4mm，频率范围为30-50HZ，焊接压力范围为30-80MPa，焊接时间范围为2-8s。

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