CN113953645B - 一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，该焊接装置主要通过导磁搅拌头、圆柱强磁体、圆柱体合金、导磁垫板、强力磁条、冷却喷雾装置的配合组成；导磁搅拌头设有弹巢式结构，装填圆柱强磁体和圆柱体合金，用隔磁垫片盖住，由装夹装置固定在步进电机空心旋转主轴上；结合导磁垫板内配有异名强磁体，在焊缝内部增强了磁场汇集，形成电磁力，加强焊接区塑性金属机械搅拌，促进塑化金属流动，改善搅拌摩擦焊接过程晶粒组织细化，显著提高综合性能。

Description

一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本发明专利涉及金属焊接加工领域，特别适用于新式搅拌摩擦焊的搅拌头及其使用技术。

背景技术

近年来，关于电磁作用下“磁控”焊接技术的研究，国内外研究学者更多的是将目光集中在将交变磁场应用于熔化焊接方面。

如：中国专利CN201820827965.1公开了电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，包括电流加载单元、磁场加载单元和搅拌摩擦焊接单元，可实现在焊接过程中对焊接区域局部加载高密度脉冲电流和强磁场，搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动。

又如：中国专利CN201810472656.1 公开了电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，由液压驱动及控制单元，精密机械驱动及控制单元，电磁加载单元，试件夹持单元，信号检测单元，试件保护单元以及支撑单元组成。可实现电磁辅助下的搅拌摩擦焊接，以研究电场和磁场对焊接材料性能的影响。

如上专利主要通过施加感应线圈，通过控制交变电流频率来控制磁场强度，这种方式需要添加辅助装置，增加了试验难度，对设备也提出了更高的要求，具有一定的局限。

通过阅读大量国内外文献，发现“磁控”焊接技术在搅拌摩擦焊方面的应用报道极为少见。国内王洪铎等人在专利（申请号：CN 105728934 A）中提出一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，但是该专利存在一些问题：

从电学原理角度分析，该专利是给焊件两端加装导线让直流电完全通过焊缝区与磁场配合，但是在实际实施过程中，电流总会沿着电阻较小的方向流动，该专利没有考虑到焊缝区与母材之间的电阻率的不同，原理上行不通；

从磁学原理角度分析，该专利给焊缝两端施加同名磁极目的是在焊缝对接面产生密集磁感线，但是根据同名磁极相互排斥原理，越靠近工件磁感线越向两边分布，达不到磁通在焊缝中心的聚集效果；

结合以上两点，整个焊接操作平台均为导电材料，工件中间通直流电存在安全隐患，不可取，直流导线之间施加恒定磁场，会使导线产生一个方向的力，不能够对焊缝金属进行均匀搅拌。

综上所述：通过分析，此方案焊接时不能达到预期的结果，理论上行不通。

因此为了解决上述问题，急需从另一种创新的角度去考虑，设计一种全新的磁场辅助搅拌摩擦焊装置，对磁控焊接技术在搅拌摩擦焊的应用与研究具有十分重要的参考意义，对生产制造具有一定的现实意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，克服了因对焊接区域局部加载高密度电流和强磁场，带来的增加焊接辅助装置问题，和焊缝区与母材之间的电阻率的不同，而带来的电流是否会均衡到达目标处，以及在工件两端施加电场产生不安全因素；焊接时在工件焊缝的下方增加异名强磁体解决电磁汇集效果差问题。

为了实现上述目的，本申请是通过以下技术方案来实现的：

本申请所述的一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置包括：电机主轴、夹紧装置、搅拌头、冷却系统和焊接工作台，所述电机主轴为空心结构，所述搅拌头通过夹紧装置安装于电机主轴的空心内腔中，所述的搅拌头由导磁材料制成，包括：搅拌头主体、轴肩和搅拌针，所述搅拌头主体上端为夹紧用的夹持部，所述夹持部下方设有限位凸台，所述的限位凸台圆周面上设弹巢式孔穴，所述弹巢式孔穴内填装有圆柱强磁体，所述轴肩上开设有向下的深浅不同的孔槽结构，所述电机主轴高速旋转带动装填有圆柱强磁体的搅拌头高速转动，在所述的轴肩端面产生变化的磁场。

本申请进一步改进在于：所述轴肩与搅拌头主体之间为锥面过渡结构，所述孔槽结构为开设于轴肩圆锥台面的大小深度不同的圆孔结构，所开设圆孔结构为1-7个的圆孔。开设1个圆孔时轴肩端面没有开孔处与圆孔材料厚薄不一而形成磁通变化。

本申请进一步改进在于：所述搅拌头由高导磁材料制成，所述弹巢式孔穴内填装填装圆柱强磁体或圆柱强磁体和等质量的数量相等或不等非导磁圆柱合金体，所述弹巢式孔穴部分孔穴中填装圆柱强磁体，剩下孔穴中填装圆柱合金体的非对称填充方式。所述的弹巢式孔穴设计为1-10个，其中一个或全部为圆柱强磁体，其它孔穴中填装质量相同的圆柱合金体。填装圆柱强磁体和圆柱合金体的总数量由孔穴数量决定，填装方式最好是非对称填装。

本申请进一步改进在于：所述搅拌头的限位凸台端面上安装有隔磁垫片，所述隔磁垫片外径大于所述搅拌头弹巢式结构处的最大外径，所述隔磁垫片由不锈钢或钛合金材料制成。

本申请进一步改进在于：所述的夹紧装置由ER夹头和ER夹头锁紧螺母配合使用。

本申请进一步改进在于：所述的焊接工作台包括：焊接支持平台和工件放置垫板，所述的垫板在工件焊接缝处开设有凹槽结构，所述的凹槽结构中装有强磁条，并在所述强磁条表面装有与垫板上表面平齐的盖板。

本申请进一步改进在于：所述强磁条与搅拌头中的圆柱强磁体的磁极相异放置。

本申请进一步改进在于：所述冷却系统）包括第一冷却喷雾装置、第二冷却喷雾装置和冷却罩，所述冷却罩固定在弹巢式孔穴的外圆柱面上，所述的冷却罩断面为开口弧形沟槽结构，所述第一冷却喷雾装置向开口弧形沟槽结构中喷洒冷却液对搅拌头进行冷却降温，所述第二冷却喷雾装置对轴肩及焊缝进行冷却降温，所述的冷却罩由铜制成。

本申请进一步改进在于：所述选择不同磁场强度的圆柱强磁体及其数量和布局方式安装达到不同的焊接要求，或通过电机调控电机主轴的旋转速度来调节轴肩处的磁场强弱。

该申请一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置具有如下有益效果：

这是一种全新的无源“磁控”焊接方法，安全性高；

搅拌头轴肩开有孔槽结构，基于高转速形成以搅拌针中心为轴的区块化分布的交变的旋转磁场，对固相焊接区域金属产生拖拽作用，对固相焊接区域加热、同时促进塑性金属的流动，宏观解释为即当闭合导体与磁极发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动，无需更多的电磁辅助装置就能实现焊接材料的磁致塑性效应和电致效应，有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，细化晶粒的作用，同时使能耗降低，焊接效率与焊接接头综合性能得到显著提高；

强力磁条安装在导磁垫板下方，与导磁搅拌针端面配合形成异名磁极，有助于磁力线汇聚并穿过焊核区域，磁力线辅助搅拌头的机械搅拌作用，旋转磁场对焊接材料有磁力线的切割作用，提高焊接区域材料塑性的流动及相变温度，加强焊接区塑性金属机械搅拌，促进塑化金属流动，在磁搅拌作用下能够使焊缝组织更加均匀，降低材料塑性变形抗力，提高焊缝质量。

4、更换不同强度的圆柱强磁体，或调用不同的电机转速而实现不同磁场强度调节；具有磁场能量输入响应快，是一种整体结构简单、成本低、焊接效果好的绿色制造和可持续发展模式。

附图说明

图1为一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置整体示意图。

图2为轴肩孔槽分布示意图。

图3为冷却罩示意图。

图4－8为嵌磁式搅拌头装填方式部分示意图。

附图标识说明：

电机主轴、 2-夹紧装置、21-ER夹头、22-ER夹头锁紧、3-搅拌头、31-搅拌头主体、32-轴肩、33-搅拌针、34-夹持部、35-限位凸台、36-弹巢式孔穴、37-孔槽结构、4-冷却系统、41-第一冷却喷雾装置、42-第二冷却喷雾装置、43-冷却罩、44-开口弧形沟槽结构、5-焊接工作台、51-焊接支持平台、52-工件放置垫板、53-凹槽结构、54-盖板、6-圆柱强磁体、61-圆柱合金体、7-隔磁垫片、8-强磁条。

具体实施方式

为了加深对本申请的理解，下面将结合附图对本申请作进一步详细描述，本实施例仅用于解释本申请，并不构成对本申请保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例均属于本申请保护范围。

如图1-4所示，本申请的一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置的实施例1，它包括电机主轴1、夹紧装置2、搅拌头3、冷却系统4和焊接工作台5，所述电机主轴1为空心结构，所述搅拌头3通过夹紧装置2安装于电机主轴1的空心内腔中，所述的搅拌头3由导磁材料制成，所述搅拌头3包括：搅拌头主体31、轴肩32和搅拌针33，所述搅拌头主体31上端为夹紧用的夹持部34，所述夹持部34下方设有限位凸台35，所述的限位凸台35圆周面上设弹巢式孔穴36，所述弹巢式孔穴36内填装有圆柱强磁体6，所述轴肩32上开设有向下的深浅不同的孔槽结构37，所述电机主轴1高速旋转带动装填有圆柱强磁体6的搅拌头3高速转动，在所述的轴肩32端面产生变化的磁场；搅拌头高速旋转时产生变化的磁通量，加强搅拌针的机械搅拌作用，加速焊缝区塑化金属流动，有利于焊缝组织晶粒细化。搅拌头轴肩开有孔槽结构且填充有圆柱体强磁体和合金材料，基于高转速形成以搅拌针中心为轴的区块化分布的交变的旋转磁场，无需更多的电磁辅助装置就能实现焊接材料的磁致塑性效应，对固相焊接区域金属产生拖拽作用，对固相焊接区域加热、同时促进塑性金属的流动，宏观解释为即当闭合导体与磁极发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动，加强搅拌针的机械搅拌作用，有利于焊缝组织晶粒细化。特有的弹巢式设计，可以便捷地更换磁场强度不同的磁柱。

更优选的：所述轴肩32与搅拌头主体31之间为锥面过渡结构，所述孔槽结构37为开设于轴肩32圆锥台面的大小深度不同的圆孔结构，所开设圆孔结构为1-7个大小深浅不一的圆孔；开设1个圆孔时轴肩端面没有开孔处与圆孔材料厚薄不一而形成磁通变化，图中为开设3个深度不同的圆孔，开设的孔越多磁通变化频率越高，细化晶粒效果越好。也可以开设大小不同的孔达到同样的效果。

更优选的：所述搅拌头3由高导磁材料制成，所述弹巢式孔穴36内填装圆柱强磁体6和或圆柱强磁体6和等质量的数量相等或不等非导磁圆柱合金体61，所述弹巢式孔穴36部分孔穴中填装圆柱强磁体6，剩下孔穴中填装圆柱合金体61的非对称填充方式。所述的弹巢式孔穴设计为1-10个，其中一个或全部为圆柱强磁体，其它孔穴中填装质量相同的圆柱合金体。填装圆柱强磁体和圆柱合金体的总数量由孔穴数量决定，填装方式最好是非对称填装。作为填充物的圆柱体强磁体和圆柱体合金等重量，避免了旋转过程中的离心危险；多孔穴非对称填充方式能更好的形成区块化交变磁场。

更优选的：所述搅拌头3的限位凸台35端面上安装有隔磁垫片7，所述隔磁垫片7外径大于所述搅拌头3弹巢式结构处的最大外径，所述隔磁垫片7由不锈钢或钛合金材料制成。隔磁垫片覆盖于强磁体上方，能够起到隔绝磁体产生的大部分磁场的效果，保证连接步进电机旋转主轴上的电机不受影响正常工作。

更优选的：所述的夹紧装置（2）由ER夹头(21)和ER夹头锁紧螺母（22）配合使用。（搅拌头被ER夹具固定，保证了搅拌针与电机的同心度。

更优选的：所述的焊接工作台（5）包括：焊接支持平台（51）和工件放置垫板（52），所述的垫板（52）在工件焊接缝处开设有凹槽结构（53），所述的凹槽结构（53）中装有强磁条（8），并在所述强磁条（8）表面装有与垫板（52）上表面平齐的盖板（54）；强磁条（8）与搅拌头（3）中的圆柱强磁体（6）的磁极相异放置。安装的强力磁条可以大大加强磁通量的汇聚效果，使得磁力线尽可能多得穿过待焊工件，磁力线辅助搅拌头的机械搅拌作用，旋转磁场对焊接材料有磁力线的切割作用，提高焊接区域材料塑性的流动及相变温度，提高焊缝质量。

更优选的：所述冷却系统（4）包括第一冷却喷雾装置（41）、第二冷却喷雾装置（42）和冷却罩（43），所述冷却罩（43）固定在弹巢式孔穴（36）的外圆柱面上，所述的冷却罩（43）断面为开口弧形沟槽结构（44），所述第一冷却喷雾装置（41）向开口弧形沟槽结构（44）中喷洒冷却液对搅拌头（3）进行冷却降温，所述第二冷却喷雾装置（42）对轴肩及焊缝进行冷却降温，所述的冷却罩（43）由铜制成。在搅拌头高速旋转的过程中，冷却液与搅拌头接触时会因为离心力直接飞溅出去，冷却效果差。冷却罩特有的开口弧形沟槽结构设计，可将飞溅的部分冷却液储存，由于铜的导热性能良好，避免焊接温度过高达到强磁体居里温度点，最大化减小磁场能的损失。

更优选的：所述选择不同磁场强度的圆柱强磁体（6）及其数量和布局方式安装达到不同的焊接要求，或通过电机调控电机主轴（1）的旋转速度来调节轴肩处的磁场强弱；该装置磁场强度调整方便，根据具体的工艺参数，选择不同强度的强磁体，易于更换。

更优选的实施例2：轴肩32上开设有向下的孔槽结构（37）结构为椭圆孔、长形孔或其他结构孔深度不一的孔槽，其它结构同实施例1。

更优选的实施例3：所述的弹巢式孔穴设计椭圆结构或其他形状结构，其中一个或全部为填装也弹巢式孔穴形状相配的强磁体，其它孔穴中填装质量相同的合金体。填装磁体和合金体的总数量由孔穴数量决定，填装方式最好是非对称填装，其他结构同实施例1或2。

该磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置的主要运行步骤：

SP1：先将冷却罩43套在导磁搅拌头3的最大外径圆柱侧面上，然后采用点焊的工艺将两者焊接固定；

SP2：将准备好的相同质量的圆柱强磁体6和圆柱合金体61填装到搅拌头限位凸台35圆周面上设弹巢式孔穴36中，再将由不锈钢屏磁材料制成隔磁垫片套装在搅拌头3的夹持部履盖在装有圆柱强磁体的限位凸台上；

SP3：将SP2准备好的搅拌头放入设有夹紧装置2的电机主轴的空心腔体中，由ER夹头和ER螺母夹持固定，紧固于电机旋转空心主轴1上；

SP4：焊接工台5准备：将强力磁条安装于垫板的凹槽内，所安装的强力磁条的磁极与弹巢式孔穴中的强磁体的磁极相异放置，然后在强力磁条上部覆盖安装好铁盖板，将安装好的导磁垫板放置到工作支持台面上，焊接工件用压紧装置安装在工作台面上；

SP5：调节导磁搅拌摩擦头的高度，在CNC控制面板中编辑所需焊接程序；启动焊接工作台，焊接开始；搅拌头搅拌针插入到焊缝中，随着主轴的高速旋转对焊缝周围的金属进行搅拌，通过高速旋转的搅拌头轴肩的辗压，促使被搅拌的焊缝中的金属材料形成致密的焊缝。

SP6：当搅拌针开始下降接近被焊工件时，打开第一冷却装置和第二冷却装置的开关，第一冷却装置的喷嘴对准冷却罩43，第二冷却装置喷嘴对准导磁搅拌头3轴肩位置，对轴肩及其周围的焊缝组织进行降温冷却。

本申请的运行原理如下：

由于搅拌头轴肩开有孔槽结构且内腔填充有圆柱体强磁体，基于高转的搅拌头肩各部分磁通量差异明显，搅拌头高速旋转时产生变化的磁通量，形成以搅拌针中心为轴的区块化分布的交变的旋转磁场，配合焊接工作台下方的极性相异的强磁条的形成的静磁场对上方磁场的汇集效应，通过焊缝的磁力线更多，在轴肩焊缝处产生高速旋转变化的磁通，同时在此处产生交变的脉冲电场，动、静磁场使搅拌摩擦焊金属发生塑性变形过程中，产生涡流，涡流方向随旋转磁场方向瞬时改变，对搅拌区的位错运动产生较大的促进作用，从而加剧晶粒发生动态再结晶，使晶粒得到细化；在焊件对接缝上施加交变的脉冲电场，引入电子风力作用，瞬时，电磁辅助搅拌摩擦焊接双重作用影响使金属内部位错运动的强化效果大大增强， 位错的逾越障碍大大降低，电磁双重作用可以改变焊缝金属凝固状况和凝固过程温度分布，改善组织、相结构，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低缺陷，并使焊接能耗降低，焊接效率提高，形成综合性能优良的焊接接头。

本申请的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本申请的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本申请的精神，都在本发明新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，包括电机主轴（1）、夹紧装置（2）、搅拌头（3）、冷却系统（4）和焊接工作台（5），所述电机主轴（1）为空心结构，所述搅拌头（3）通过夹紧装置（2）安装于电机主轴（1）的空心内腔中，其特征在于：所述的搅拌头（3）由导磁材料制成，所述搅拌头（3）包括：搅拌头主体（31）、轴肩（32）和搅拌针（33），所述搅拌头主体（31）上端为夹紧用的夹持部（34），所述夹持部（34）下方设有限位凸台（35），所述的限位凸台（35）圆周面上设弹巢式孔穴（36），所述弹巢式孔穴（36）内填装有圆柱强磁体（6），所述轴肩（32）上开设有向下的深浅不同的孔槽结构（37），所述电机主轴（1）高速旋转带动装填有圆柱强磁体（6）的搅拌头（3）高速转动，在所述的轴肩（32）端面产生变化的磁场；所述轴肩（32）与搅拌头主体（31）之间为锥面过渡结构，所述孔槽结构（37）为开设于轴肩（32）圆锥台面的大小深度不同的圆孔结构；所述的焊接工作台（5）包括：焊接支持平台（51）和工件放置垫板（52），所述的垫板（52）在工件焊接缝处开设有凹槽结构（53），所述的凹槽结构（53）中装有强磁条（8），并在所述强磁条（8）表面装有与垫板（52）上表面平齐的盖板（54）；所述强磁条（8）与搅拌头（3）中的圆柱强磁体（6）的磁极相异放置。

2.根据权利要求1所述的磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌头（3）由高导磁材料制成，所述弹巢式孔穴（36）内填装圆柱强磁体（6）或圆柱强磁体（6）和等质量的数量相等或不等的非导磁圆柱合金体（61），所述弹巢式孔穴（36）部分孔穴中填装圆柱强磁体（6），剩下孔穴中填装圆柱合金体（61）的非对称填充方式。

3.根据权利要求1所述的磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌头（3）的限位凸台（35）端面上安装有隔磁垫片（7），所述隔磁垫片（7）外径大于所述搅拌头（3）弹巢式结构处的最大外径，所述隔磁垫片（7）由不锈钢或钛合金材料制成。

4.根据权利要求1所述的磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的夹紧装置（2）由ER夹头(21)和ER夹头锁紧螺母（22）配合使用。

5.根据权利要求1所述的磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述冷却系统（4）包括第一冷却喷雾装置（41）、第二冷却喷雾装置（42）和冷却罩（43），所述冷却罩（43）固定在弹巢式孔穴（36）的外圆柱面上，所述的冷却罩（43）断面为开口弧形沟槽结构（44），所述第一冷却喷雾装置（41）向开口弧形沟槽结构（44）中喷洒冷却液对搅拌头（3）进行冷却降温，所述第二冷却喷雾装置（42）对轴肩及焊缝进行冷却降温，所述的冷却罩（43）由铜制成。

6.根据权利要求1所述的磁化程度可调弹巢式嵌磁搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：选择不同磁场强度的圆柱强磁体（6）及其数量和布局方式安装达到不同的焊接要求，或通过电机调控电机主轴（1）的旋转速度来调节轴肩处的磁场强弱。

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