CN113953650B - 一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，包括电机空心主轴、夹紧装置、搅拌头、磁耳嵌磁式结构和焊接工作台，所述搅拌头通过夹紧装置一起安装于电机主轴的空心内腔中，搅拌头中部套有安嵌磁耳和圆柱强磁体的底盖，并通过磁耳式结构将磁力线引至搅拌头轴肩处，改变轴肩端面磁场强度，导磁垫板下方安装有与轴肩端面磁场形成异名磁极，有助于磁力线汇聚并穿过焊核区域，基于高转速形成以搅拌针中心为轴的区块化分布的交变旋转磁场，加强焊核区塑性金属机械搅拌，促进塑化金属流动，还能够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

一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置

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：1、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；2、同时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；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。3、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。

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磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置：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；

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磁耳嵌磁式搅拌摩擦装置，包括电机主轴、夹紧装置、搅拌头、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，所述搅拌头由搅拌头主体、轴肩和搅拌针组成，所述搅拌头体上端为夹紧用的夹持部，所述夹持部下方设有定位凸台，所述搅拌头主体外侧套设有安嵌导磁挂耳的底盖，所述搅拌头主体外侧套设磁耳结构，所述磁耳结构由安嵌导磁挂耳和圆柱强磁体的底盖组成，所述底盖底面与定位凸台端面重合，所述导磁挂耳将圆柱强磁体的磁力线引至搅拌头同侧轴肩区域，与所述轴肩其他区域形成磁通量差，所述电机主轴高速旋转带动搅拌头高速转动，在所述轴肩端面形成非对称变化的磁通量，所述的搅拌头由非导磁材料制成；所述的底盖设有2个以上中心对称分布的挂耳沉头通孔，所述的对称分布的挂耳沉头通孔用于非对称装填质量相等导磁挂耳和非导磁挂耳，所述挂耳沉头通孔下端沉孔处安装导磁挂耳和圆柱强磁体，所述的非导磁挂耳上方装填有非导磁圆柱合金体，所述底盖为中心设有通孔的圆环形结构，所述圆柱强磁体与非导磁圆柱合金体质量相同，所述的圆柱强磁体装填方式，圆柱强磁体的N极都指向所述搅拌针安装或将N极和S极各一个朝向所述搅拌针；所述的焊接工作台包括：焊接支持平台和工件放置导磁垫板，所述的导磁垫板在工件焊接缝方向开设有凹槽结构，所述的凹槽结构中装有强磁条，所述强磁条表面装有与导磁垫板上表面平齐的盖板，所述强磁条与导磁挂耳形成异名磁极，导磁垫板由导磁材料制成。

本申请进一步改进在于：所述的导磁挂耳由设有指向轴肩的锥形尖端部和圆柱凸台底座构成，所述的导磁挂耳由导磁材料制成，所述的非导磁挂耳由非导磁合金制成合金体结构。

本申请进一步改进在于：所述底盖上端表面盖装有隔磁垫片，所述的隔磁垫片外径大于所述底盖的外圆柱面。

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：所述的搅拌头、底盖和隔磁垫片由非导磁材料制成，所述的非导磁材料为：不锈钢或钛合金。

本申请进一步改进在于：所述圆柱强磁体更换不同磁场强度和/或调整所述电机主轴旋转速度，实现磁场强弱的变换调节。

该申请一种磁化程度可调磁耳嵌磁式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；

搅拌头主体套有环形强磁体，并通过外附磁耳式结构将磁力线引至搅拌头轴肩处，改变轴肩端面磁场强度，基于高转速形成以搅拌针中心为轴的区块化分布的非对称变化的磁通量，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；

强磁条安装在导磁垫板下方，与导磁导磁挂耳在轴肩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，加强焊核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；

环形强磁体与搅拌头轴肩及搅拌针不存在直接接触，导热性能差，不存在温度过高导致磁体达到居里温度点引发磁能损失，不需要额外的冷却装置，经济性好；

更换不同强度的环形强磁体，或调用不同的电机转速而实现不同磁场强度调节；

综上所述：本装置是一种磁场能量输入响应快，整体结构简单、成本低、使用寿命长，焊接效果好的绿色制造和可持续发展模式，对实现磁化式搅拌摩擦焊的推广与应用具有重要的现实意义。

附图说明

图1为一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置结构示意图。

图2为导磁挂耳示意图。

图3为底盖示意图。

图4-7为底盖装填圆柱强磁体和导磁挂耳方式示意图。

电机主轴、 2-夹紧装置、21-ER夹头、22-ER锁紧螺母、3-搅拌头、31-搅拌头主体、32-轴肩、33-搅拌针、34-夹持部、35-定位凸台、4-焊接工作台、41-焊接支持平台、42-导磁垫板、43-凹槽结构、44-盖板、5-磁耳结构、51-导磁挂耳、52-锥形尖端部、53-圆柱凸台底座、55-非导磁挂耳、6-底盖、61-挂耳沉头通孔、62-中心通孔、7-圆柱强磁体、71-圆柱合金体、8-隔磁垫片、9-强磁条。

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1-7所示，本申请一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦装置实施例1，包括电机主轴1、夹紧装置2、搅拌头3、焊接工作台4，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，所述搅拌头3由搅拌头主体31、轴肩32和搅拌针3组成，所述搅拌头体31上端为夹紧用的夹持部34，所述夹持部34下方设有定位凸台35，所述搅拌头主体31外侧套设有磁耳结构5，所述磁耳结构5由安嵌导磁挂耳51和圆柱强磁体7的底盖6组成，所述底盖6底面与定位凸台35端面重合，所述底盖6上端面套装有圆柱强磁体7，所述导磁挂耳51将圆柱强磁体7的磁力线引至搅拌头3同侧轴肩32区域，与所述轴肩32其他区域形成磁通量差，所述电机主轴1高速旋转带动搅拌头3高速转动，在所述轴肩32端面形成非对称变化的磁通量，所述的搅拌头3由非导磁材料制成。磁耳结构将磁力线引至搅拌头轴肩处，改变轴肩端面磁场强度，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，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，加速焊缝区塑化金属流动，有利于焊缝组织晶粒细化。同时轴肩处为整体式的，综合耐磨性能好，圆柱强磁体与搅拌头轴肩及搅拌针不存在直接接触，导热性能差，不存在温度过高导致磁体达到居里温度点引发磁能损失，不需要额外的冷却装置，经济性好。

所述的底盖6设有2个以上中心对称分布的挂耳沉头通孔61，所述的对称分布的挂耳沉头通孔61用于非对称装填质量相等的导磁挂耳51和非导磁挂耳55，所述挂耳沉头通孔61下端沉孔处安装导磁挂耳51和圆柱强磁体7，所述的非导磁挂耳55上方装填有非导磁圆柱合金体71，所述底盖6为设有中心通孔62的圆环形结构，所述圆柱强磁体7与非导磁圆柱合金体质量相同，所述的圆柱强磁体7装填方式，圆柱强磁体7的N极都指向所述搅拌针3安装或将N极和S极各一个朝向所述搅拌针3安装。 导磁挂耳51与非导磁挂耳55，圆柱强磁体与圆柱合金体质量相同，避免了旋转过程中的离心危险，对称分布保证高速旋转平稳。所述的导磁挂耳51由设有指向轴肩的锥形尖端部52和圆柱凸台底座53构成，所述的导磁挂耳51由导磁材料制成，所述的非导磁挂耳55由非导磁合金制成合金体结构。圆柱凸台底座结构安装方便可靠，锥形尖端部可以更有效的将填装的强磁体磁场引入到轴肩处。

所述的焊接工作台4包括：焊接支持平台41和工件放置导磁垫板42，所述的导磁垫板42在工件焊接缝方向开设有凹槽结构43，所述的凹槽结构43中装有强磁条9，所述强磁条9表面装有与导磁垫板42上表面平齐的盖板44，所述强磁条9与导磁挂耳51形成异名磁极，导磁垫板42由导磁材料制成。导磁垫板下方安装有与强磁条异名磁极，有助于磁力线焊核区域汇聚效果，增强穿过焊缝的磁通密度，加强焊核区塑性金属机械搅拌，促进塑化金属流动。

更优选的：所述底盖6上端表面盖装有隔磁垫片8，所述的隔磁垫片8外径大于所述底盖6的外圆柱面。覆盖于强磁体上方，能够起到隔绝大部分磁体产生的磁场的效果，保证连接电机旋转空心主轴1上的电机可以正常工作。

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。搅拌头夹持部被ER夹持装置通过螺纹固定连接，保证了搅拌针与电机的同心度以及工件加工质量和精度。

更优选的：所述的搅拌头3、底盖6和隔磁垫片8由非导磁材料制成，所述的非导磁材料为：不锈钢或钛合金。 减弱磁力线的穿透效果。

更优选的：所述圆柱强磁体7更换不同磁场强度和/或调整所述电机主轴1旋转速度，实现磁场强弱的变换调节。该装置磁场强度和方向调整方便。根据具体的工艺参数，选择不同强度的圆柱强磁体，易于更换，且圆柱强磁体安装方式不唯一，可根据不同参数进行选择。

更优选的实施例2：所述挂耳孔对称分布的沉头孔为按圆周方向均面的3-12，填装挂耳和圆柱强磁体为非对称填装，如图6-7 所示，其它结构与实施例1相同。

该磁化程度可调中心嵌磁式搅拌摩擦焊接装置的主要运行步骤：

SP1：先将导磁挂耳51与非导磁挂耳55分别填装到底盖6的挂耳沉头通孔61中，再将准备好的圆柱强磁体7填入导磁挂耳51的底座端面上的挂耳通孔中，圆柱合金体71填入非导磁挂耳55底座上端的挂耳沉头通孔中，将填装好的底盖整体套处导搅拌头主体外侧，底面与定位凸台35相接触；

SP2：将准备好的隔磁垫片履盖在SP1底盖上表面，再套入搅拌头主体圆柱面外侧；

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锁紧螺母夹持固定，紧固于电机旋转空心主轴1上；

SP4：焊接工台5准备：将强磁条安装于垫板的凹槽内，所安装的强磁条的磁极与搅拌头主体上套装的底盖中的圆柱强磁体的磁极相异放置，然后在强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。

本申请的运行原理如下：

搅拌头夹持部套有安嵌磁耳和圆柱强磁体的底盖，并通过磁耳式结构将磁力线引至搅拌头轴肩处，改变轴肩端面磁场强度，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，都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，包括电机主轴（1）、夹紧装置（2）、搅拌头（3）、和焊接工作台（4），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，所述搅拌头（3）由搅拌头主体（31）、轴肩（32）和搅拌针（33）组成，所述搅拌头主体（31）上端为夹紧用的夹持部（34），其特征在于：所述夹持部（34）下方设有定位凸台（35），所述搅拌头主体（31）外侧套设有磁耳结构（5），所述磁耳结构（5）由安嵌导磁挂耳（51）和圆柱强磁体（7）的底盖（6）组成，所述底盖（6）底面与定位凸台（35）端面重合，所述导磁挂耳（51）将圆柱强磁体（7）的磁力线引至搅拌头（3）同侧轴肩（32）区域，与所述轴肩（32）其他区域形成磁通量差，所述电机主轴（1）高速旋转带动搅拌头（3）高速转动，在所述轴肩（32）端面形成非对称变化的磁通量，所述的搅拌头（3）由非导磁材料制成；

所述的底盖（6）设有2个以上中心对称分布的挂耳沉头通孔（61），所述的对称分布的挂耳沉头通孔（61）用于非对称装填质量相等导磁挂耳（51）和非导磁挂耳（55），所述 挂耳沉头通孔（61）下端沉孔处安装导磁挂耳（51）和圆柱强磁体（7），所述的非导磁挂耳（55）上方装填有非导磁圆柱合金体（71），所述底盖（6）为中心设有通孔（62）的圆环形结构，所述圆柱强磁体（7）与非导磁圆柱合金体质量相同，所述的圆柱强磁体（7）装填方式，圆柱强磁体（7）的N极都指向所述搅拌针（33）安装或将N极和S极各一个朝向所述搅拌针（33）；

所述焊接工作台（4）包括：焊接支持平台（41）和工件放置导磁垫板（42），所述的导磁垫板（42）在工件焊接缝方向开设有凹槽结构（43），所述的凹槽结构（43）中装有强磁条（9），所述强磁条（9）表面装有与导磁垫板（42）上表面平齐的盖板（44），所述强磁条（9）与导磁挂耳（51）形成异名磁极，导磁垫板（42）由导磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的导磁挂耳（51）由设有指向轴肩的锥形尖端部（52）和圆柱凸台底座（53）构成，所述的导磁挂耳（51）由导磁材料制成，所述的非导磁挂耳（55）由非导磁合金制成合金体结构。

3.根据权利要求1所述的磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述底盖（6）上端表面盖装有隔磁垫片（8），所述的隔磁垫片（8）外径大于所述底盖（6）的外圆柱面。

4.根据权利要求1所述的磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，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磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的搅拌头（3）、底盖（6）和隔磁垫片（8）由非导磁材料制成，所述的非导磁材料为：不锈钢或钛合金。

6.根据权利要求1所述的磁化程度可调磁耳嵌磁式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述圆柱强磁体（7）更换不同磁场强度和/或调整所述电机主轴（1）旋转速度，实现磁场强弱的变换调节。

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