CN114433994A - 一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置及方法，装置包括搅拌针，搅拌针内形成有空腔，空腔底部的开口位于搅拌针的下端面上，搅拌头工作时，空腔用于使被焊工件材料进入并形成旋涡式流动、以及带动搅拌针下方及周围的材料形成旋涡式流动。本发明利用空腔结构促使针尖下方及周围形成旋涡式材料流动，增强被焊材料的塑性流动性，达到消除搅拌摩擦对接焊根部弱连接的目的。同时可使搅拌针针尖摩擦产热转化为同质材料间的内摩擦耗散产热，降低了热输入，防止界面氧化膜增厚，减小机械破膜所需塑性流动距离，提高焊接接头的力学性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置及方法。
背景技术
1991年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术，搅拌摩擦焊技术成为在铝合金结构制造中替代熔焊技术的实用工业化固相连接技术，并且在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻量化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术优势和经济效益。
搅拌摩擦焊的核心机制是通过足量的环向与竖向的热塑性流动实现去膜、致密化(回填针后瞬时空腔)与一体化(经由后退侧转移而来的流变金属与周边任一界面的焊合，特别是距离较远的前进侧热力影响区界面的一体化重新焊合)。然而，在进行搅拌摩擦对接焊时，由于搅拌针针长短、针尖细及无法横向加压等，搅拌针针尖下方材料塑性流动性不良，易出现根部弱连接缺陷，且难以根除。根部弱连接的存在使接头在高应力水平区疲劳寿命与疲劳强度低于健全接头；对变形相对集中的背弯性能有严重不利影响，从根部起裂；可热处理铝合金在焊后热处理时沿根部弱连接出现微裂纹，这意味着根部弱连接缺陷一旦存在，不能用焊后热处理对已发生软化的高强铝合金重新恢复硬度与强度，无法得到高质量的搅拌摩擦焊接头。
分析根部弱连接的成因与影响因素，主要包括工具因素与成分因素。由于搅拌针过长会影响轴肩端面对母材表面摩擦、挤压、扭转三种热-力作用的可靠性，针长需小于板厚。但是针尖直径细，对针下母材的力偶矩变小，位于根部焊道的任一微元，其所承受的旋转针尖的累计扭转次数也将减少，导致机械破膜不足，不能实现根部微区的闭合接触与混合。此外，Mg的存在使氧化膜疏松，且比Al活泼，因而更易被氧化。因此，含Mg量高的铝合金的氧化膜较厚，根部弱连接对Mg元素较为敏感，含Mg铝合金中厚板的长焊道末端，更能体现根部弱连接的存在与危害。
为此，研究者提出了双面焊接法(CN201810083224.1)，进行搅拌摩擦焊双面施焊。采用双面等厚焊接，或者一面采用短型搅拌针：在正面焊完后，再在反面追加一道补焊工艺。该方法能简易、可靠地消除根部弱连接缺陷。但存在工件的拆装等辅助工序费时、复杂零件需要两套刚性工装、生产效率较低且背面焊接引起二次减薄等问题。另外，研究者还提出了采用双轴肩搅拌摩擦焊，该方法虽然能消除根部弱连接，但是会导致始末端材料流失严重、工具不能倾斜施加挤压力，中心有微孔和双面减薄等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置及方法，通过改善搅拌针针尖下方材料的塑性流动性，达到消除搅拌摩擦对接焊根部弱连接的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，包括搅拌针，所述搅拌针内形成有空腔，所述空腔底部的开口位于所述搅拌针的下端面上，搅拌头工作时，所述空腔用于使被焊工件材料进入并形成旋涡式流动、以及带动搅拌针下方及周围的材料形成旋涡式流动。
所述空腔内设有与其配合的、与被焊工件材料相同的棒体，所述棒体伸出所述空腔。
所述空腔为圆柱体、多边形正棱柱或斜棱柱。
所述空腔的长度为不大于所述搅拌针长度的任意长度。
一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的方法，采用所述的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，焊接时，在搅拌针下压至指定深度后，原地停留一段时间，等待被焊工件材料的旋涡式流动达到稳态后，再驱动搅拌针沿着待焊的接缝移动，进行焊接。
本发明的有益效果如下：
本发明搅拌针内空腔结构促使针尖下方及周围形成旋涡式材料流动，增强被焊材料的塑性流动性，达到消除搅拌摩擦对接焊根部弱连接的目的。
本发明搅拌针内空腔结构使搅拌针针尖摩擦产热转化为同质材料间的内摩擦耗散产热，降低了热输入，避免了高温导致界面氧化膜增厚，减小机械破膜所需塑性流动距离，且无二次减薄问题，显著提高了搅拌摩擦对接焊接头的综合力学性能和可靠性。
本发明搅拌针内棒体结构一方面增强了被焊材料的塑性流动性，消除搅拌摩擦对接焊根部弱连接的缺陷，提升焊接接头的力学性能。另一方面可解决工件材料未完全填充进空腔导致空腔内存在空洞时动量传递效率下降的问题，同时发挥了同质涡流搅拌摩擦焊的优势，也解决了同质涡流摩擦焊可焊厚度不足的问题。
本发明的焊接方法基于上述装置可实现旋涡式材料流动效应，既可用于焊接，也可用于修复。
附图说明
图1为本发明实施例一的第一种形式搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为本发明实施例进行搅拌摩擦对接焊的流程示意图。
图4为本发明实施例一的第二种形式搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。
图5为图4的主视图。
图6为本发明实施例一的第三种形式搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。
图7为本发明实施例二的搅拌摩擦焊接装置的主视图。
图中：1、轴肩；2、搅拌针；3、空腔；4、棒体。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例一
一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，如图1所示，包括搅拌头，搅拌头的结构包括轴肩1和搅拌针2，搅拌针2的上端与轴肩1的下端连接，搅拌针2内有空腔3，空腔3底部的开口位于搅拌针的下端面上，搅拌头工作时，空腔3用于使被焊工件材料进入并形成旋涡式流动、以及带动搅拌针下方及周围的材料形成旋涡式流动。
本实施例的一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的方法，如图3所示，采用上述实施例一的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置进行搅拌摩擦焊接。开始时，搅拌头旋转下压，被焊工件材料进入搅拌针2底部的空腔3，并在空腔3内壁的带动下，形成旋涡式流动。搅拌头下压至指定深度后，原地停留一段时间，等待材料旋涡式流动达到稳态。然后使搅拌头沿着待焊接缝移动，进行焊接。
搅拌头行进过程中，搅拌针2底部空腔3内材料的旋涡式流动会增强搅拌针2下方及周围的工件材料的流动，改善不能被搅拌针2直接搅拌的被焊工件根部薄层范围内材料的塑性流动性，从而实现根部微区的闭合接触与混合，形成接头，解决了由于针长短及针尖细导致的不能达到横向流动效果和针下机械破膜不足的问题，改善了搅拌针针尖下方材料的塑性流动性，达到消除搅拌摩擦对接焊根部弱连接的目的。
和现有技术不设置空腔结构的搅拌针结构相比，本实施例将焊接过程中搅拌针下端端部(针尖)的摩擦产热转化为同质材料间的内摩擦耗散产热，降低了热输入，防止界面氧化膜增厚，减小了机械破膜所需塑性流动距离，从而提高了焊接接头(搅拌头)的力学性能和可靠性。
本领域技术人员可以理解，本实施例一中，空腔的主要作用是为进入空腔内的工件材料旋涡式流动提供空间和驱动，使搅拌针下方及周围材料形成旋涡式材料流动，因此空腔3的实际形状可以根据实际情况具体选择，可以为圆柱、多边形正棱柱或斜棱柱、或其他任意合适的形状。
本实施例中，轴肩为圆柱结构，搅拌针为圆台结构，轴肩与搅拌针同轴设置。优选的空腔结构为斜六棱柱。如图1和图2所示，斜六棱柱的侧面与搅拌针的轴线形成一定的倾斜角度。
如图4和图5所示，空腔设置成六边形正棱柱，六边形正棱柱优选地与搅拌针同轴设置。
如图6所示，空腔设置成圆柱形，圆柱形优选地与搅拌针同轴设置。
本实施例空腔的长度为不大于搅拌针长度的任意长度。可以根据所焊接工件的材料及厚度进行调整。
本实施例轴肩和搅拌针的材质包括工具钢、硬质合金钢、钛合金、钨基合金、特种耐磨钢、耐磨复合材料等硬质耐磨材料中的任意一种或多种。
实施例二
作为实施例一的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置的改进，如图7所示，空腔内设有与其配合的、与被焊工件材料相同的棒体4，棒体4伸出空腔，即棒体4底端伸出搅拌针2的底端。
采用本实施例的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置进行搅拌摩擦对接焊的方法如下：
焊接前，将待焊的两工件待焊接面对接好，其中待焊工件材质可以为超硬铝(7系)、硬铝(2系)、航海用6系等会产生根部弱连接的材质。
焊接时，在常规焊接参数下进行焊接，然后旋转轴肩1和搅拌针2，并将搅拌针2插入待焊工件中，棒体也随之插入待焊工件；随着轴肩1和搅拌针2的旋转，空腔3内的棒体一起旋转，棒体下方的材料在棒体的带动下形成旋涡式材料流动，带动周围材料塑性流动形成焊缝，增强了被焊材料的塑性流动性，减弱了根部薄层范围内材料的流动阻力，减小了机械破膜所需塑性流动距离，消除了根部弱连接缺陷，从而提高了焊接接头的力学性能和可靠性。
实施例一中，焊接时可能会出现工件材料未完全填充进空腔导致空腔内存在空洞，此时的动量传递效率会降低。本实施例的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置能够解决由于“空洞”造成的动量传递效率下降的问题。
另外，本实施例和常规的同质涡流搅拌摩擦焊相比，将棒体设置在搅拌针的空腔中，可通过调整搅拌针的尺寸以拓展可焊接的厚度，既发挥了同质涡流搅拌摩擦焊的优势，也解决了其可焊厚度不足的问题。
本领域技术人员可以理解，棒体的形状与空腔的形状匹配，可以为圆柱体、多边形正棱柱或斜棱柱或其他任意的形状。
棒体底端伸出搅拌针下端面的具体长度根据实际情况确定。
搅拌摩擦对接焊易产生根部弱连接，严重恶化接头高应力水平区疲劳寿命与疲劳强度，大部分搅拌摩擦对接焊试样疲劳裂纹启始于焊缝根部的弱连接缺陷。可见，根部的弱连接缺陷决定了焊接性能的优劣，搅拌摩擦对接焊根部弱连接缺陷源于针长短、针尖细、及无法横向加压机构，而且对压入深度的微幅波动敏感等，是难以根除的棘手缺陷。而通过本申请的上述技术方案形成旋涡式材料流动，增强被焊材料的塑性流动性，则能够进一步提升焊接接头的力学性能。
应该说明的是，以上仅为本发明的几种实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，包括搅拌针，其特征在于，所述搅拌针内形成有空腔，所述空腔底部的开口位于所述搅拌针的下端面上，搅拌头工作时，所述空腔用于使被焊工件材料进入并形成旋涡式流动、以及带动搅拌针下方及周围的材料形成旋涡式流动。
2.根据权利要求1所述的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，其特征在于，所述空腔内设有与其配合的、与被焊工件材料相同的棒体，所述棒体伸出所述空腔。
3.根据权利要求1或2所述的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，其特征在于，所述空腔为圆柱体、多边形正棱柱或斜棱柱。
4.根据权利要求1或2所述的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，其特征在于，所述空腔的长度为不大于所述搅拌针长度的任意长度。
5.一种消除搅拌摩擦焊根部弱连接的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的消除搅拌摩擦焊根部弱连接的装置，焊接时，在搅拌针下压至指定深度后，原地停留一段时间，等待被焊工件材料的旋涡式流动达到稳态后，再驱动搅拌针沿着待焊的接缝移动，进行焊接。
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| GR01 | Patent grant | ||
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