CN114951955A - 一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置,其特征是所述的焊接装置包括激光发射器、超声执行器和搅拌器，所述激光发射器设于所述搅拌器上，所述复合超声末端执行器设于所述搅拌器内部且与搅拌针同轴，所述搅拌器下端与所述第一板材的上表面和第二板材的上表面相贴合。本发明生产效率高，产品质量好，适应性好。

Description

一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其是一种高熔点异种材料超薄板材的搅拌摩擦焊接技术，具体地说是一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，其原理是利用焊接头部高速旋转的搅拌针与工件待结合处摩擦生热软化材料，达到局部塑性流动的效果，并在搅拌针的挤压下，在两工件间形成致密焊缝，以完成焊接。相比于传统的熔化焊接方法，搅拌摩擦焊具有强度高、残余应力小、变形小等优点。
随着科技的发展进步，航空航天、汽车、船舶等行业对节能减排和轻量化的要求越来越高，采用薄板材料替代厚板成为了一种发展趋势，航空航天等领域对薄板等轻量化结构的需求也日益显著，但薄板的传统融焊方法焊后变形大、矫形困难，这个问题在异种材料薄板的焊接中更加严重。且目前钛合金等高熔点材料在很多领域应用广泛，而传统搅拌摩擦焊只适用于铝合金等低熔点、高塑性材料的焊接，存在可焊接材料范围受限等问题。以上方法均难以实现高熔点异种材料薄板的焊接。
近年来，辅助能场搅拌摩擦焊在国内外受到了广泛关注，尤其是辅助热能场。辅助热能场的种类有多种，主要包括：激光热、电阻热等。与其它辅助热能场相比，激光功率密度高，激光束可控性好，易于实现信息化、智能化，且激光设备体积小、价格低。因此，激光可能是一种优质的搅拌摩擦焊接辅助热能场。现今许多学者展开了不少激光辅助搅拌摩擦焊的研究，如名称为“一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置”，专利号为“201210498493.7”的发明专利，名称为“一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法”，专利号为“201510476776.5”的发明专利等，都提供了激光辅助搅拌摩擦焊的装置及方法。但大量研究发现，由于待焊板材常采用异种材料，而异种材料普遍导热系数、热胀系数及熔点相差较大，在激光辅助搅拌摩擦焊接过程中极易出现变形，在薄板的焊接中更加严重。且目前的激光辅助搅拌摩擦焊装置仅能实现焊接方向上的激光辅助，激光发射器可动自由度较少，相关装置在结构上需要改进。
同样受到大量关注的还有超声波辅助搅拌摩擦焊，如名称为“一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法”，专利号为“201711123653.9”的发明专利，名称为“一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法”，专利号为“201610704203.8”的发明专利以及名称为“超声振动辅助搅拌摩擦焊装置”，专利号为“201220342406.4”的发明专利等。超声波辅助搅拌摩擦焊利用超声波的空化效应、热效应等，使得超声换能振动起到提高焊接质量及焊接效率的作用，可以应用于异种材料的焊接中，但超声波辅助搅拌摩擦焊没有很好地解决传统搅拌摩擦焊难以焊接高熔点材料薄板的问题。
综上所述，在焊接高熔点异种材料薄板时，目前的激光辅助搅拌摩擦焊很难对异种材料进行焊接，且焊后质量较低；超声波辅助搅拌摩擦焊没有很好地解决传统搅拌摩擦焊加工材料范围受限的问题，因而急需寻找一种适用于高熔点异种材料薄板的搅拌摩擦焊接的方法和装置，解决其现有的问题。
发明内容
本发明的目的是针对高熔点异种材料薄板在激光辅助搅拌摩擦焊及超声波辅助搅拌摩擦焊下的局限性问题，发明一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置，它将激光发射器通过光轴与搅拌器固定，可通过调整装置调节激光点位置参数，在主轴中集成超声波发生器，实现超声-激光复合能场辅助的搅拌摩擦焊接加工。
本发明的技术方案之一是：
一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置,用于将第一板材、第二板材焊接为一个整体。所述焊接部件包括激光发射器、超声执行器和搅拌器，所述激光发射器设于所述搅拌器上，所述超声执行器设于所述搅拌器内部且与搅拌针同轴，所述搅拌器下端与所述第一板材的上表面和第二板材的上表面相贴合。所述第一板材、第二板材的厚度均小于3mm。
所述搅拌器上设有一根光轴，所述光轴上设有光轴夹紧装置和滑块槽，所述激光发射器在锁紧螺栓作用下设于滑块槽内，通过移动光轴夹紧装置实现激光发射器沿焊缝方向的位置调整，通过滑槽实现激光发射器沿垂直焊缝方向的位置调整。
所述激光发射器上设有激光管，所述激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1～5mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在8mm～16mm之间。所述激光发射器通过滑槽移动使激光点位置发生偏置，可实现异种材料连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，假设第一板材为熔点较高金属材料，激光管与第一板材上表面的夹角范围在18°～50°之间。
所述激光发射器采用CO2激光发射器产生激光，激光功率范围在180W—2400W之间。
所述搅拌器上设有搅拌针和位于搅拌针上部的轴肩。所述搅拌针呈上大下小的圆台形，外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度在3°～6°之间，所述搅拌器与被焊工件法线夹角范围在3°～4°之间。所述搅拌针位于所述搅拌器的外部后端，与所述传振螺柱的后端固定连接，通过电机带动旋转，所述搅拌针的旋转速度范围在800～1200rpm之间。
所述搅拌器内部设有超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器，包括：一个传振螺柱，所述传振螺柱的前端固定一个超声波换能器和一个超声波发射器。法兰I，固定在所述超声波发射器的节点上，且其外表面与所述搅拌器的内壁固定连接；法兰II，固定在所述传振螺柱的位移节点，其侧表面与所述搅拌器的后端盖固定连接。
本发明的技术方案之二是：
一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场的方法，采用高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置进行焊接，所述高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场的方法包括以下步骤：
第一步，将第一板材、第二板材分别放置于加工台面上；
第二步，将激光发射器通过锁紧螺栓安装在滑块槽内，可通过调整装置调节激光点位置参数，利用光轴夹紧装置与锁紧螺栓固定，将光轴固定在搅拌器上，将超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器固定在搅拌器内部，再将搅拌器置于所述第一板材、第二板材二者接触处；
第三步，在焊接时首先接通超声波发射器，所述超声波换能器将高频电能转化为相应频率的机械振动。通过传振螺柱将超声波换能器产生的高频机械振动进行放大，并将放大后的超声振幅传递给搅拌针。其中搅拌针与传振螺柱、超声波换能器保持同步旋转。
第四步，在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器与激光发射器同时同速率沿焊接方向移动。
所述第四步中的焊接速度范围在50～90mm/min之间。
本发明的有益效果是：
一、应用超声激光辅助搅拌摩擦焊接，局部高能量促进材料表面热软化，可以实现对异种金属连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，或对同种金属整体进行激光辅助预热，拓展了可焊接材料的种类范围，解决了现有方法和装置难以焊接高熔点异种材料薄板的问题。
二、施加超声波可以显著减小焊接变形，明显提高试件接头的强度和表面质量，尤其适用于薄板的焊接；同轴式的超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器使装置整体体积减小。
三、应用超薄板材搅拌摩擦焊用复合能场方法及装置，可以减小搅拌头磨损，延长搅拌头使用寿命。
四、生产效率高，产品质量好，适应性好。
附图说明
图1是本发明所述高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置的结构示意图。
图2是本发明所述高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置的加工示意图。
图3是本发明所述装置的末端执行器示意图。
图4是本发明的激光发射器安装调节结构示意图。
图中：1、超声波发射器；2、法兰I；3、法兰II；4、换能器；5、传振螺柱；6、搅拌针；7、激光发射器；8、锁紧螺栓；9、滑块槽；10、光轴夹紧装置；11、光轴；12、搅拌器；13、第一板材；14、第二板材。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一.
如图1-图4所示。
一种适用于高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊用复合能场的装置，用于将钛合金材料的第一板材13和钛合金材料的第二板材14焊接为一个整体。所述焊接部件包括激光发射器7、超声波发射器1和搅拌器12，所述激光发射器7设于所述搅拌器12的侧面上，所述超声波发射器1设于所述搅拌器12内部且与搅拌针6同轴，所述搅拌器12下端与所述第一板材13的上表面和第二板材14的上表面相贴合。所述第一板材13、第二板材14的厚度均为2mm。如图1所示。
本实施例中，所述搅拌器上设有一根光轴11，所述光轴11上设有光轴夹紧装置10和滑块槽9，所述激光发射器7在锁紧螺栓8作用下设于滑块槽9内，通过移动光轴夹紧装置10实现激光发射器7沿焊缝方向的位置调整，通过滑槽9实现激光发射器7沿垂直焊缝方向的位置调整，如图4所示。
所述激光发射器7上设有激光管，所述激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径为4mm(也可为1-5mm之间的任意值)，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离为11mm(也可为8-16mm之间的任意值)。所述激光发射器通过滑槽移动使激光点位置发生偏置，可实现异种材料连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，本实施例中第一板材13为熔点较高金属材料，激光管与第一板材13上表面的夹角为35°(也可为18-50°之间的任意值，第二板材14为较高熔点金属材料时亦然)。所述激光发射器7采用CO2激光发射器产生激光，激光功率为1000W(也可为180-2400W之间的任意值)。
所述搅拌器12上设有搅拌针6和位于搅拌针上部的轴肩。所述搅拌针6呈上大下小的圆台形，外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度为5°(也可为3-6°之间的任意值)，所述搅拌器12与被焊工件法线夹角为3°(也可为3-4°之间的任意值)，如图3所示。所述搅拌针6位于所述搅拌器12的外部后端，与所述传振螺柱5的后端固定连接，通过电机带动旋转，所述搅拌针的旋转速度为1000rpm(也可为800-1200rpm之间的任意值)。
所述搅拌器12内部设有超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器，包括：一个传振螺柱5，所述传振螺柱5的前端固定一个超声波换能器4和一个超声波发射器1。法兰I2，固定在所述超声波发射器1的节点上，且其外表面与所述搅拌器12的内壁固定连接；法兰II3，固定在所述传振螺柱5的位移节点，其侧表面与所述搅拌器12的后端盖固定连接。如图2所示。
本发明的超声波对焊接变形的抑制作用主要体现在两个方面：一是当超声波发射器1经由超声波换能器4在第一板材13和第二板材14的焊缝中心处施加超声振动时，高频的振动将对焊缝产生持续冲击，在冲击力的作用下，作用区域附近的金属产生一层塑性应变层，同时引起受击位置产生微观的位错运动，使得该区域产生微观的塑性变形，这两部分塑性变形共同作用使得焊缝处的残余内应力得到释放而减小；二是超声波的空化效应、热效应使熔池的流动状态以及流动的剧烈程度发生改变，进而发生温度梯度减小、焊缝不同区域的成分更均匀化等现象，使焊缝中的温度分布、组织分布更加均匀，热应力以及相变残余应力有所减小。随着超声波功率增大，上述过程所产生的效果得到提高，故试件中的残余内应力将不断减小，最后宏观表现出来的结果就是试件的挠曲变形以及角变形不断减小。
实施例二。
一种超薄板材搅拌摩擦焊用复合能场的方法，采用超薄板材搅拌摩擦焊用复合能场装置进行焊接，所述超薄板材搅拌摩擦焊用复合能场的方法包括以下步骤：
第一步，将第一板材13、第二板材14分别放置于加工台面上；
第二步，将激光发射器7通过锁紧螺栓8安装在滑块槽9内，通过调整装置调节激光点位置参数，使激光点落在第一板材13靠近两板材接触处。利用光轴夹紧装置10与锁紧螺栓8固定，将光轴11固定在搅拌器12上，将超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器固定在搅拌器12内部，再将搅拌器12置于所述第一板材13、第二板材14二者接触处；
第三步，在焊接时首先接通超声波发射器1，所述超声波换能器4将高频电能转化为相应频率的的机械振动。通过传振螺柱5将超声波换能器4产生的高频机械振动进行放大，并将放大后的超声振幅传递给搅拌针6。其中搅拌针6与传振螺柱5、超声波换能器4保持同步旋转。
第四步，在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针6在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器12与激光发射器7同时同速率沿焊接方向移动。焊接速度为80mm/min(也可为50-90rpm之间的任意值)。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置，用于将第一板材(13)、第二板材(14)焊接为一个整体，其特征是它包括激光发射器(7)、超声波发射器(1)和搅拌器(12)，所述激光发射器(7)设于所述搅拌器(12)上，所述超声波发射器(1)设于所述搅拌器(12)内部且与搅拌针(6)同轴，所述搅拌器(12)下端与所述第一板材(13)的上表面和第二板材(14)的上表面相贴合；所述第一板材(13)、第二板材(14)的厚度均小于3mm；所述的搅拌器(12)的一侧设有一根光轴(11)，所述光轴(11)上设有光轴夹紧装置(10)和滑块槽(9)，所述激光发射器(7)在锁紧螺栓(8)的作用下设于滑块槽(9)内，通过移动夹紧装置(10)在光轴(11)上的位置实现激光发射器沿焊缝方向的位置调整，通过滑块槽(9)实现激光发射器(7)沿垂直焊缝方向的位置调整；所述激光发射器(7)中的激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1～5mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在8mm～16mm之间；所述激光发射器(7)通过在滑动槽(9)中的移动使激光点位置发生偏置，以实现异种材料连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，假设第一板材为熔点较高金属材料，则激光管与第一板材上表面的夹角范围在18°～0°之间；所述的搅拌器(12)中安装有一个传振螺柱(5)，所述传振螺柱(5)的前端固定有超声波换能器(4)和超声波发射器(1)，超声波发射器的节点上固定有第一法兰(2)，第一法兰(2)的外表面与所述搅拌器(2)的内壁固定连接；传振螺柱(5)的位移节点上固定有第二法兰(3)，第二法兰(3)的侧表面也与所述搅拌器(12)的固定连接。
2.如权利要求1所述的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置，其特征是所述的激光发射器(7)采用CO2激光发射器产生激光，激光功率范围在180W～2400W之间。
3.如权利要求1所述的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置，其特征是所述搅拌器(12)上设有搅拌针(6)和位于搅拌针(6)上部的轴肩；所述搅拌针呈上大下小的圆台形，外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度在3°～6°之间，所述搅拌器(12)与被焊工件法线夹角范围在3°～4°之间；所述搅拌针(6)位于所述搅拌器(12)的外部后端，与所述传振螺柱(5)的后端固定连接，通过电机带动旋转，所述搅拌针(6)的旋转速度范围在800～1200rpm之间。
4.一种基于权利要求1所述的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场的方法，其特征是：它包括以下步骤：
第一步，将第一板材、第二板材分别放置于加工台面上；
第二步，将激光发射器通过锁紧螺栓安装在滑块槽内，可通过调整装置调节激光点位置参数，利用光轴夹紧装置与锁紧螺栓固定，将光轴固定在搅拌器上，将超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器固定在搅拌器内部，再将搅拌器置于所述第一板材、第二板材二者接触处；
第三步，在焊接时首先接通超声波发射器，所述超声波换能器将高频电能转化为相应频率的机械振动；通过传振螺柱将超声波换能器产生的高频机械振动进行放大，并将放大后的超声振幅传递给搅拌针；其中搅拌针与传振螺柱、超声波换能器保持同步旋转；
第四步，在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器与激光发射器同时同速率沿焊接方向移动。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述第四步中焊接速度在50～90mm/min之间。
6.如权利要求1-5任一的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置，其特征是同样适用于高熔点、高强度同种板材的焊接。
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