CN113941770B - 一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，其中焊接装置包括双轴肩搅拌头、轴向推杆、轴向压盘和盖板；所述双轴肩搅拌头内设有内孔和与内孔相通的立体通道，所述立体通道包括上通道、下通道和过渡通道，所述上通道的上端与内孔连通，所述上通道的下端延伸至双轴肩搅拌头的上轴肩的下端面；所述下通道的下端通过过渡通道与内孔连通，所述下通道的上端延伸致双轴肩搅拌头的下轴肩的上端面；所述盖板安装于内孔的上端，所述轴向压盘设置于内孔，所述轴向推杆的下端穿过盖板后与轴向压盘连接。本发明可实现焊缝涂层的同步制备，与喷涂、镀膜、激光处理等焊后二次处理方法相比，降低时间成本，提高生产效率。

Description

一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术，具体涉及一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。
背景技术
双轴肩搅拌摩擦焊接作为搅拌摩擦焊接的一个重要变体，通过设置上下两个轴肩实现自支撑，使搅拌摩擦焊接技术能够应用于管材和中空型材的焊接，拓宽了其应用领域。与母材相比，焊缝处往往存在较低的耐磨性和耐蚀性，成为整个构件的薄弱环节。为了防止焊缝在恶劣服役环境下的过早失效，需在焊缝表面制备耐磨、耐蚀涂层，提高焊缝的耐受性。
专利CN113210837A公布了一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，在搅拌针工作段开设喷嘴，通过补料系统将焊接需要的补料通过喷嘴送达到焊接区域，避免焊接过程中孔洞、隧道等缺陷的出现。然而，该方法存在三个显著的缺点：首先，搅拌针与轴肩的分体设计，降低了搅拌头刚度，增加了搅拌针在焊接过程中断裂的风险；其次，在搅拌针侧面开设喷嘴，使得原本承受巨大扭转载荷的搅拌针更加容易断裂；最后，这种通过搅拌针工作侧面向焊缝补充材料的方式，只能增补焊缝中心区域的材料，而无法对焊缝表面的化学成分、晶体结构等进行改善，因此不能随焊制备出耐磨、耐蚀的涂层。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置。此随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置可使焊缝上、下表面随焊形成致密的耐磨、耐蚀涂层，提高接头在恶劣环境下的服役寿命。
本发明的另一目的是提供了一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括双轴肩搅拌头、轴向推杆、轴向压盘和盖板；所述双轴肩搅拌头内设有内孔和与内孔相通的立体通道，所述立体通道包括上通道、下通道和过渡通道，所述上通道的上端与内孔连通，所述上通道的下端延伸至双轴肩搅拌头的上轴肩的下端面；所述下通道的下端通过过渡通道与内孔连通，所述下通道的上端延伸致双轴肩搅拌头的下轴肩的上端面；所述盖板安装于内孔的上端，所述轴向压盘设置于内孔，所述轴向推杆的下端穿过盖板后与轴向压盘连接。
优选的，所述过渡通道与内孔同轴设置，且所述过渡通道的内壁设有第一凸起。
优选的，所述上通道的截面面积自上而下逐渐变小。
优选的，所述过渡通道的底端端面为向上凸起的圆弧面。
优选的，所述轴向压盘的工作端面设有呈十字型的第二凸起。
优选的，所述双轴肩搅拌头一体成型。
一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，采用了上述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括以下步骤：
S1、涂层材料的准备：向双轴肩搅拌头的内孔放入作为涂层材料的同质金属或异质金属或合金；
S2、搅拌摩擦焊接：启动焊接装置，使双轴肩搅拌头以一定速度旋转，在双轴肩搅拌头对被焊工件进行摩擦焊接的同时，轴向推杆推动轴向压盘向下挤压，使装在双轴肩搅拌头内孔的涂层材料与内孔的壁面紧密接触，并发生相对摩擦，摩擦产生的热量令涂层材料塑化，这塑化的涂层材料在轴向压盘的挤压下，流至焊缝的上、下表面，在双轴肩搅拌头进行摩擦焊接的同时实现随焊制备涂层。
优选的，步骤S1中，所述涂层材料为固体金属或合金。
优选的，所述涂层材料为Cr、Mn、Ni和W中的任意一种或组合。
步骤S2中，所述双轴肩搅拌头的旋转速度为600-1000rpm，焊接速度为40-200mm/min。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
（1）本发明在双轴肩搅拌摩擦焊接过程中，即可实现焊缝涂层的同步制备，与焊后喷涂、镀膜、激光处理等传统方法相比，降低时间成本，提高生产效率。
（2）本发明制备的涂层，经历过搅拌头的旋转摩擦作用，涂层材料在微观上已经历充分的动态再结晶，细化了组织；且本发明制备的涂层与被焊工件形成坚固的冶金结合，与传统方法制备出的简单机械结合的涂层相比，服役寿命增加。
（3）传统铺粉再激光处理制备涂层的方式，受重力的影响，只能单侧铺粉，而本发明可在焊缝上下两侧，同步制备耐磨、耐蚀涂层。
（4）本发明的双轴肩搅拌头为一体成型结构，保证了双轴肩搅拌头的强度，降低了搅拌针发生断裂的风险。
附图说明
图1是本发明的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。图中的箭头ω为旋转速度方向，箭头ν为焊接速度方向。
图2是本发明的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置的剖视。
图3是本发明的轴向压盘的结构示意图。
其中，1为双轴肩搅拌头，2为轴向推杆，3为轴向压盘，4为盖板，5为内孔，6为立体通道，7为上通道，8为下通道，9为过渡通道，10为上轴肩，11为下轴肩，12为搅拌针，13为第一凸起，14为圆弧面，15为第二凸起，16为被焊材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括双轴肩搅拌头、轴向推杆、轴向压盘和盖板；所述双轴肩搅拌头内设有内孔和与内孔相通的立体通道，所述立体通道包括上通道、下通道和过渡通道，所述上通道的上端与内孔连通，所述上通道的下端延伸至双轴肩搅拌头的上轴肩的下端面；所述下通道的下端通过过渡通道与内孔连通，所述下通道的上端延伸致双轴肩搅拌头的下轴肩的上端面；所述盖板安装于内孔的上端，所述轴向压盘设置于内孔，所述轴向推杆的下端穿过盖板后与轴向压盘连接。
具体的，过渡通道与内孔同轴设置，且设置在搅拌头内，以使下通道与内孔相通。具体的，涂层材料进入内孔后，在搅拌头高速旋转（即以至少600rpm的旋转速度转动）作用下，涂层材料与内孔的内壁发生剧烈摩擦，以使位于内孔的涂层材料塑化。在轴向压盘下压的作用下，其中一部分塑化的涂层材料自内孔流入到上通道，然后再通过上通道流出上轴肩，从而在焊缝及被焊材料的上表面形成焊缝涂层；而另一部分塑化后的涂层材料自内孔流入过渡通道后，再从过渡通道进入下通道后流出下轴肩，以在焊缝及被焊材料的下表面形成焊缝涂层。故本实施例的焊接装置在搅拌摩擦焊接的过程中，同时实现焊缝上、下两侧的焊缝涂层制备。
如图1和图2所示，搅拌头包括上轴肩、下轴肩和搅拌针三部分，所述双轴肩搅拌头一体成型，即上轴肩、下轴肩和搅拌针采用一体成型。此结构简单，保证了双轴肩搅拌头的强度，降低了搅拌针发生断裂的风险。
所述过渡通道与内孔同轴设置，且所述过渡通道的内壁设有第一凸起。此结构可进一步提高涂层材料与过渡通道内壁之间的摩擦效果，以强化涂层材料的塑化效果，同时保持塑化涂层材料的流动状态。
所述上通道的截面面积自上而下逐渐变小。此结构简单，进一步保证塑化后涂层材料的流动。
所述过渡通道的底端端面为向上凸起的圆弧面。过渡通道为盲孔结构，且过渡通道的底端采用向上凸起的圆弧面，则流到下轴肩的涂层材料，受到圆弧面的作用，变换流动方向后可顺畅流入下通道，以使塑化后的涂层材料顺畅流出下轴肩，以保证焊缝下侧表面焊缝涂层的制备。
如图3所示，所述轴向压盘的工作端面设有呈十字型的第二凸起。十字型凸起与涂层材料的非工作端紧密接触，可防止涂层材料的非工作端（即上端）随搅拌头旋转。
一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，采用了上述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括以下步骤：
S1、涂层材料的准备：向双轴肩搅拌头的内孔放入作为涂层材料的同质金属或异质金属或合金；
S2、搅拌摩擦焊接：启动焊接装置，使双轴肩搅拌头以一定速度旋转，在双轴肩搅拌头中搅拌针对待焊接件被焊工件进行摩擦焊接的同时，轴向推杆推动轴向压盘向下挤压，使装在双轴肩搅拌头的内孔的涂层材料与内孔的壁面紧密接触，并发生相对摩擦，在双轴肩旋转摩擦的作用下，摩擦产生的热量令涂层材料金属塑化，这金属塑化的涂层材料在轴向压盘的挤压下，流至焊缝的上、下表面，在搅拌针双轴肩搅拌头进行摩擦焊接的同时实现随焊制备涂层。
步骤S1中，所述涂层材料为固体金属或合金。其中所述涂层材料为Cr、Mn、Ni和W等耐磨元素材料中的任意一种或组合。具体的，在实施过程中，涂层材料可采用同质或异质金属，涂层材料的选择可根据被材料而决定。
步骤S2中，所述双轴肩搅拌头的旋转速度为800rpm，焊接速度为100mm/min。适当的旋转速度及焊接速度以保证良好的焊接效果。
实施例2
本随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法除以下技术特征外同实施例1：步骤S2中，所述双轴肩搅拌头的旋转速度为600rpm，焊接速度为40mm/min。适当的旋转速度及焊接速度以保证良好的焊接效果。
实施例3
本随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法除以下技术特征外同实施例1：步骤S2中，所述双轴肩搅拌头的旋转速度为1000rpm，焊接速度为200mm/min。适当的旋转速度及焊接速度以保证良好的焊接效果。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括双轴肩搅拌头、轴向推杆、轴向压盘和盖板；所述双轴肩搅拌头内设有内孔和与内孔相通的立体通道，所述立体通道包括上通道、下通道和过渡通道，所述上通道的上端与内孔连通，所述上通道的下端延伸至双轴肩搅拌头的上轴肩的下端面；所述下通道的下端通过过渡通道与内孔连通，所述下通道的上端延伸致双轴肩搅拌头的下轴肩的上端面；所述盖板安装于内孔的上端，所述轴向压盘设置于内孔，所述轴向推杆的下端穿过盖板后与轴向压盘连接。
2.根据权利要求1所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述过渡通道与内孔同轴设置，且所述过渡通道的内壁设有第一凸起。
3.根据权利要求1所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述上通道的截面面积自上而下逐渐变小。
4.根据权利要求1所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述过渡通道的底端端面为向上凸起的圆弧面。
5.根据权利要求1所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述轴向压盘的工作端面设有呈十字型的第二凸起。
6.根据权利要求1所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述双轴肩搅拌头一体成型。
7.一种随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，采用了权利要求1~6任意一项所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括以下步骤：
S1、涂层材料的准备：向双轴肩搅拌头的内孔放入作为涂层材料的同质金属或异质金属或合金；
S2、搅拌摩擦焊接：启动焊接装置，使双轴肩搅拌头以一定速度旋转，在双轴肩搅拌头对被焊工件进行摩擦焊接的同时，轴向推杆推动轴向压盘向下挤压，使装在双轴肩搅拌头内孔的涂层材料与内孔的壁面紧密接触，并发生相对摩擦，摩擦产生的热量令涂层材料塑化，这塑化的涂层材料在轴向压盘的挤压下，流至焊缝的上、下表面，在双轴肩搅拌头进行摩擦焊接的同时实现随焊制备涂层。
8.根据权利要求7所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤S1中，所述涂层材料为固体金属或合金。
9.根据权利要求7所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述涂层材料为Cr、Mn、Ni和W中的任意一种或组合。
10.根据权利要求7所述的随焊制备涂层用双轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤S2中，所述双轴肩搅拌头的旋转速度为600-1000rpm，焊接速度为40-200mm/min。
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