CN114043227B - 一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置，包括：夹持部件，夹持部件包括夹持端和连接在夹持端下端面上的圆柱形端部，圆柱形端部的端面内设置有若干个弧形凹槽；套筒，套筒包括底板和连接在底板上的环形壁，底板上开设有与弧形凹槽一一对应的矩形孔；以及辊压圆柱，每个弧形凹槽中均设置有一个辊压圆柱。本发明还公开了基于上述机械辊压装置的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，通过辊压圆柱在焊缝根部及焊缝根部附近区域施加压应力，形成压应力层以改善试件焊缝根部弱连接缺陷。本发明通过高速旋转的辊压圆柱挤压焊缝背部材料，在表面引入压应力层，形成致密的微观组织，改善搅拌摩擦焊接过程焊缝根部出现的未焊透或者弱连接问题。

Description

一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术，特别涉及一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及方法。

背景技术

近些年，搅拌摩擦焊技术在轨道交通、航空航天等高端制造领域获得了广泛应用，主要用于铝合金、镁合金等轻金属合金的焊接，其优点包括：焊接接头质量高、自动化程度高、焊接过程绿色无污染等。但是，搅拌摩擦焊技术也存在自身的限制点，焊缝根部弱连接便是其中之一。为避免焊接过程搅拌针扎穿待焊工件、损坏垫板，搅拌针的长度一般小于试板厚度0.1-0.3mm。同时，搅拌摩擦焊接热源主要来源于轴肩与工件摩擦产热，热量沿板厚方向递减，焊缝根部热量较低，材料塑化程度低，搅拌针的旋转驱动力不足以带动焊缝根部金属流动，造成焊缝根部弱连接甚至产生未焊透缺陷。

现阶段，解决搅拌摩擦焊根部弱连接主要方法包括双轴肩搅拌摩擦焊接技术和焊缝根部处理技术。双轴肩搅拌摩擦焊技术不需要背面支撑，在试板正面和背面有两个旋转的轴肩同时摩擦产热，可以从根源上解决搅拌摩擦焊根部弱连接的问题，但双轴肩搅拌摩擦焊技术主要应用于中空型材焊接，且焊接工艺窗口窄，焊接难度较大。焊缝根部处理包括根部打磨处理和根部强化处理。焊缝根部打磨处理即焊接完成后，将根部弱连接部位利用打磨装置处理试板，去除弱连接区域材料，打磨处理虽然可以解决根部弱连接问题，但会造成材料浪费，而且处理效果很大程度受人为因素影响，增加了生产成本。公开号为CN108284272A的中国发明专利申请提出一种搅拌摩擦焊根部未焊透及弱连接的方法，焊接完成后将工件翻转，采用修饰搅拌头对焊缝背面进行修饰处理，修饰搅拌针长度≤1mm，其本质是对试板进行双面焊接，达到对焊缝根部进行强化处理的目的。综上所述：目前对于搅拌摩擦焊根部弱连接和未焊透现象的解决措施均存在一定制约因素，未能彻底有效解决根部弱连接问题。

发明内容

本发明的目的是解决搅拌摩擦焊根部未焊透和弱连接问题，提供一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置及基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法。

本发明所采用的技术方案是：一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置，包括：

夹持部件，所述夹持部件包括夹持端和连接在所述夹持端下端面上的圆柱形端部，所述圆柱形端部的端面内设置有若干个弧形凹槽；

套筒，所述套筒包括底板和连接在所述底板上的环形壁，所述套筒和所述夹持部件通过所述环形壁套设在所述圆柱形端部并与所述圆柱形端部连接而彼此连接，并且，所述底板覆盖在所述圆柱形端部的端面上；所述底板上开设有与所述弧形凹槽一一对应的矩形孔；以及

辊压圆柱，每个所述弧形凹槽中均设置有一个所述辊压圆柱，所述辊压圆柱顶抵在所述弧形凹槽上且至少部分地经由所述矩形孔从所述底板突出，其中，所述辊压圆柱的高度小于所述矩形孔的长度、所述辊压圆柱的直径大于所述矩形孔的宽度。

进一步地，若干个所述辊压圆柱在所述圆柱形端部的周向上均匀分布，并且，每个所述辊压圆柱的轴线均沿所述圆柱形端部的径向布置。

进一步地，所述弧形凹槽的长度大于所述辊压圆柱的高度、所述弧形凹槽的宽度大于所述辊压圆柱的直径，并且，所述弧形凹槽的深度小于所述辊压圆柱的直径。

进一步地，所述矩形孔为在纵向上横截面尺寸渐缩的四棱台结构，所述矩形孔靠近所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸大于远离所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸，从而保障所述辊压圆柱的流畅转动，其中，所述矩形孔远离所述圆柱形端部的一侧的横截面的宽度小于所述辊压圆柱的直径。

进一步地，所述套筒通过螺钉或螺纹与所述夹持部件连接。

进一步地，所述夹持部件的夹持端尺寸与搅拌摩擦焊工具的夹持端尺寸相同，从而使得所述机械辊压装置能在搅拌摩擦焊设备上安装使用。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，所述方法采用上述机械辊压装置，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用搅拌头对待焊试件进行搅拌摩擦焊接；

步骤2，焊接完成后，试件翻转使焊缝根部向上，并将试件固定；

步骤3，将主轴刀柄上的搅拌头更换为机械辊压装置；

步骤4，调整机械辊压装置，将机械辊压装置的轴线正对于焊缝根部中心线位置，并依据需求提前设置下压量；

步骤5，机械辊压装置高速旋转并沿轴向下降，直至机械辊压装置前端设置的辊压圆柱与试件的焊缝根部接触并将辊压圆柱下压达到步骤4所设置的下压量时停止下压，将机械辊压装置沿焊接方向对试件的焊缝根部进行辊压处理；

步骤6，辊压处理完成后，机械辊压装置沿轴向上升并停止旋转，完成搅拌摩擦焊缝根部强化处理。

进一步地，步骤5中，在辊压处理过程中，高速旋转的机械辊压装置的辊压圆柱与试件的焊缝背面接触，通过辊压圆柱在焊缝根部及焊缝根部附近区域施加压应力，形成压应力层以改善试件焊缝根部弱连接缺陷。

本发明的有益效果是：

本发明采用机械辊压装置在搅拌摩擦焊缝背面施加压应力，从而有效改善搅拌摩擦焊接焊缝根部未焊透和弱链接问题。通过高速旋转的辊压圆柱挤压焊缝背部材料，在表面引入压应力层，形成致密的微观组织，大幅度改善搅拌摩擦焊接过程焊缝根部出现的未焊透或者弱连接问题，强化处理过程只需要将机械辊压装置安装在搅拌摩擦焊设备的刀柄上，便可在同一台设备上实现搅拌摩擦焊接和焊缝根部强化处理，节约成本。

附图说明

图1：本发明机械辊压装置的结构示意图；

图2：本发明采用机械辊压装置进行搅拌摩擦焊焊缝根部强化示意图；

图3：本发明辊压处理过程及表面成形状态示意图；

图4：本发明中搅拌摩擦焊缝根部强化处理后疲劳性能提升状况示意图。

附图标注：

100——机械辊压装置；200——试件；

1——夹持部件；2——套筒；

3——辊压圆柱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1所示，一种用于搅拌摩擦焊焊缝根部强化的机械辊压装置100，包括夹持部件1、套筒2和辊压圆柱3。通过在所述夹持部件1底部端面加工适当尺寸的弧形凹槽以及将套筒2的矩形孔设计为内宽外窄的四棱台结构保障辊压过程中高速转动的辊压圆柱3可以流畅旋转；多个所述辊压圆柱3均布式分布在夹持部件1端面，所述套筒2上有矩形孔来固定辊压圆柱3，避免加工过程中高速旋转的辊压圆柱3脱落。具体地如下：

所述夹持部件1包括夹持端和连接在所述夹持端下端面上的圆柱形端部，所述圆柱形端部的端面内设置有若干个用于布置所述辊压圆柱3的弧形凹槽。所述套筒2包括底板和连接在所述底板上的环形壁。所述套筒2和所述夹持部件1通过所述环形壁套设在所述圆柱形端部并与所述圆柱形端部连接而彼此连接，并且，所述底板覆盖在所述圆柱形端部的端面上，所述底板上开设有与所述弧形凹槽一一对应的矩形孔，用于固定所述辊压圆柱3，避免加工过程中高速旋转的辊压圆柱3脱落。每个所述弧形凹槽中均设置有一个所述辊压圆柱3，所述套筒2包覆所述辊压圆柱3，所述辊压圆柱3顶抵在所述弧形凹槽上且至少部分地经由所述矩形孔从所述底板突出。

所述弧形凹槽的长度大于所述辊压圆柱3的高度、所述弧形凹槽的宽度大于所述辊压圆柱3的直径，并且，所述弧形凹槽的深度小于所述辊压圆柱3的直径，所述矩形孔的长度大于所述辊压圆柱3的高度、所述矩形孔的宽度小于所述辊压圆柱3的直径，从而使得所述辊压圆柱3能自由转动但不脱落。此外，为了保障辊压过程中高速转动的辊压圆柱3转动的流畅性，所述矩形孔为在纵向上横截面尺寸渐缩的四棱台结构，所述矩形孔靠近所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸大于远离所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸，其中，所述矩形孔远离所述圆柱形端部的一侧的横截面的宽度小于所述辊压圆柱3的直径。

所述夹持部件1的夹持端尺寸与搅拌摩擦焊工具的夹持端尺寸相同，从而使得所述机械辊压装置100可以直接在搅拌摩擦焊设备上安装使用，便于根部强化处理可以在搅拌摩擦焊设备上完成。

为了保障避免加工过程中高速旋转的辊压圆柱3脱落，所述套筒2通过螺钉或螺纹与所述夹持部件1连接。

若干个所述辊压圆柱3在所述圆柱形端部的周向上均匀分布，并且，每个所述辊压圆柱3的轴线均沿所述圆柱形端部的径向布置。本实施例中，设置有三个均布的所述辊压圆柱3。

基于上述机械辊压装置100的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1，选取合适的搅拌头和焊接工艺对待焊试件200进行铝合金搅拌摩擦焊接过程；焊接完成后，对试件200正面进行机械打磨处理，去除表面飞边缺陷，保证焊接试件200上表面平整；

步骤2，焊接完成后，将试件200取下后翻转，使焊缝根部向上，并利用工装卡具再次将试件200固定在工作台面上；

步骤3，将主轴刀柄上的搅拌头更换为机械辊压装置100；

步骤4，调整机械辊压装置100，将机械辊压装置100的轴线正对于焊缝根部中心线位置(焊缝根部中心线位置即为试件200待处理的弱连接区域)，并依据需求提前设置合适的下压量；

步骤5，机械辊压装置100高速旋转并沿轴向下降，直至机械辊压装置100前端设置的辊压圆柱3与试件200的焊缝根部接触并将辊压圆柱3下压达到步骤4所设置的下压量时停止下压，将机械辊压装置100沿焊接方向对试件200的焊缝根部进行机械辊压处理，通过高速旋转的辊压圆柱3在焊缝根部及焊缝根部附近区域施加压应力形成致密压应力层，压应力层可以有效改善焊缝未焊透和弱连接缺陷，强化焊缝根部，提高接头性能；其中，机械辊压装置100高速旋转但转速不可过快，转速过快会对试件200表面有铣削作用，从而导致表面成形较差，因此，机械辊压装置100高速旋转的转速在100rpm～500rpm为宜，本实施例中，转速为300rpm；

步骤6，当机械辊压装置100将整个背部焊缝长度处理完成后，机械辊压装置100沿轴向上升并停止旋转，拆除工装卡具，完成搅拌摩擦焊缝根部强化处理。

采用本发明对试件200进行辊压处理过程及表面成形状态如图3所示。辊压后的区域表面成形良好，而且该区域经历了大塑性变形，表层区域力学性能得到显著强化。此外，辊压处理不仅改善了焊缝弱连接缺陷还在该区域引入了对试件疲劳性能有益的压缩残余应力，对于提高试件的疲劳寿命有重要意义。

图4为本发明中搅拌摩擦焊缝根部强化处理后疲劳性能提升状况，由图4可知，采用本发明进行搅拌摩擦焊缝根部强化处理后，接头疲劳性能明显得以改善。对应于2×10⁶周次循环寿命，辊压处理后的试样疲劳强度从88MPa提高到142MPa，提高幅度达到了61％。这不仅是由于处理后试样表面得到强化，还得益于引入了一定宽度范围的压缩残余应力，综合作用下大幅改善搅拌摩擦焊焊缝根部弱连接缺陷。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，用于改善搅拌摩擦焊焊缝根部未焊透和弱连接问题，以改善接头疲劳性能，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用搅拌头对待焊试件(200)进行搅拌摩擦焊接；

步骤2，焊接完成后，试件(200)翻转使焊缝根部向上，并将试件(200)固定；

步骤3，将主轴刀柄上的搅拌头更换为机械辊压装置(100)；

步骤4，调整机械辊压装置(100)，将机械辊压装置(100)的轴线正对于焊缝根部中心线位置，并依据需求提前设置下压量；

步骤5，机械辊压装置(100)高速旋转并沿轴向下降，直至机械辊压装置(100)前端设置的辊压圆柱(3)与试件(200)的焊缝根部接触并将辊压圆柱(3)下压达到步骤4所设置的下压量时停止下压，将机械辊压装置(100)沿焊接方向对试件(200)的焊缝根部进行辊压处理，在辊压处理过程中，高速旋转的机械辊压装置(100)的辊压圆柱(3)与试件(200)的焊缝背面接触，通过辊压圆柱(3)在焊缝根部及焊缝根部附近区域施加压应力，形成压应力层以改善试件(200)焊缝根部弱连接缺陷；

步骤6，辊压处理完成后，机械辊压装置(100)沿轴向上升并停止旋转，完成搅拌摩擦焊缝根部强化处理。

2.根据权利要求1所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，所述机械辊压装置(100)包括：

夹持部件(1)，所述夹持部件(1)包括夹持端和连接在所述夹持端下端面上的圆柱形端部，所述圆柱形端部的端面内设置有若干个弧形凹槽；

套筒(2)，所述套筒(2)包括底板和连接在所述底板上的环形壁，所述套筒(2)和所述夹持部件(1)通过所述环形壁套设在所述圆柱形端部并与所述圆柱形端部连接而彼此连接，并且，所述底板覆盖在所述圆柱形端部的端面上；所述底板上开设有与所述弧形凹槽一一对应的矩形孔；以及

辊压圆柱(3)，每个所述弧形凹槽中均设置有一个所述辊压圆柱(3)，所述辊压圆柱(3)顶抵在所述弧形凹槽上且至少部分地经由所述矩形孔从所述底板突出，其中，所述辊压圆柱(3)的高度小于所述矩形孔的长度、所述辊压圆柱(3)的直径大于所述矩形孔的宽度。

3.根据权利要求2所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，若干个所述辊压圆柱(3)在所述圆柱形端部的周向上均匀分布，并且，每个所述辊压圆柱(3)的轴线均沿所述圆柱形端部的径向布置。

4.根据权利要求2所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，所述弧形凹槽的长度大于所述辊压圆柱(3)的高度、所述弧形凹槽的宽度大于所述辊压圆柱(3)的直径，并且，所述弧形凹槽的深度小于所述辊压圆柱(3)的直径。

5.根据权利要求2所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，所述矩形孔为在纵向上横截面尺寸渐缩的四棱台结构，所述矩形孔靠近所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸大于远离所述圆柱形端部的一侧的横截面尺寸，从而保障所述辊压圆柱(3)的流畅转动，其中，所述矩形孔远离所述圆柱形端部的一侧的横截面的宽度小于所述辊压圆柱(3)的直径。

6.根据权利要求2所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，所述套筒(2)通过螺钉或螺纹与所述夹持部件(1)连接。

7.根据权利要求2所述的基于机械辊压处理的搅拌摩擦焊焊缝根部强化方法，其特征在于，所述夹持部件(1)的夹持端尺寸与搅拌摩擦焊工具的夹持端尺寸相同，从而使得所述机械辊压装置(100)能在搅拌摩擦焊设备上安装使用。

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