CN115709330A - 一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法，包括搅拌摩擦焊过程与搅拌摩擦增材过程。在搅拌摩擦焊过程的基础上结合搅拌摩擦增材过程，其中搅拌摩擦增材过程的焊具采用增材料杆与钢套筒，增材料杆作为增材原材料与摩擦热源设置在钢套筒内部，钢套筒起到强制焊道成形、防止塑性状态材料溢出、保持增材料杆刚性的作用；随着焊接的进行与增材料杆向下方的持续进给，高度塑性变形的材料在钢套筒的顶锻作用下逐渐沉积在焊缝上，形成填补的金属，从而完成对负余高与匙孔的填补。本方法实现了有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝，增强了焊缝力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体领域为一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种先进的固态焊接技术。焊接时，工件固定在刚性背垫上，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，搅拌头与工件之间的摩擦热，使搅拌头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。轴肩除了产热作用，同时可以起到防止塑性状态材料溢出、清除表面氧化膜的作用。
现今搅拌摩擦焊有两个严重问题影响接头力学性能：
1.在终焊位置留一下个长度、直径与搅拌针相当的匙孔，此孔洞严重影响了焊缝的力学性能与美观，极大的限制了搅拌摩擦焊的应用；
2.焊缝负余高。由于焊接时轴肩必须有一定下压量，导致焊后焊缝上表面低于母材，接头横截面呈“凹”字形，焊道金属缺失降低了接头力学性能的上限，造成力学性能损失。
现有的无匙孔搅拌摩擦焊方法，例如中国发明专利CN102615417B，公开了一种注入式无匙孔搅拌摩擦焊装置，但其只适用于点焊且不能解决焊缝负余高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法以解决上述背景技术中提及的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法，包括搅拌摩擦焊过程与搅拌摩擦增材过程。
优选的，搅拌摩擦焊过程的焊具为搅拌头，搅拌摩擦增材过程的焊具为增材料杆与钢套筒。
优选的，增材料杆设置在钢套筒内部，增材料杆与钢套筒同轴安装、共同旋转且在轴向可以相对运动，增材料杆相对于钢套筒有伸出量。
优选的，增材料杆高速旋转与焊缝之间摩擦产热成为热源的同时也是增材的原料。
优选的，钢套筒起到强制焊道成形，同时起到防止塑性状态材料溢出、保持增材料杆刚性的作用。
优选的，有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其方法包括如下步骤：
步骤1：焊接开始，预设焊接参数，启动动力装置，搅拌头的搅拌针与轴肩高速旋转插入待焊工件，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，由于搅拌针与轴肩退出，在焊缝上留下搅拌针插入部分与轴肩下压量对应体积的金属缺失，形成匙孔与负余高；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，预设焊接参数，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心；当增材料杆高速旋转并压紧焊缝后摩擦产热，使得增材料杆伸出钢套筒部分呈热塑性状态，随着焊接的进行与增材料杆向下方的持续进给，高度塑性变形的材料在钢套筒的顶锻作用下逐渐沉积在焊缝上，形成填补的金属，从而完成对负余高与匙孔的填补。
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，增材料杆与钢套筒同时抬起，完成对步骤2结束后搅拌摩擦焊缝的填补，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
优选的，步骤1中，预设焊接参数包括焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压量和焊接路径。
优选的，步骤3中，预设焊接参数包括焊接速度、增材料杆与钢套筒转速、增材料杆伸出量、增材料杆送给速度。
优选的，步骤3中，通过调节增材料杆相对于钢套筒的伸出量与焊接速度，实现焊缝余高的不同高度。
优选的，步骤3中，通过改变增材料杆与钢套筒的直径，实现焊缝余高的不同宽度。
优选的，焊接完成后的焊缝有余高、深宽比可控且无匙孔。
本发明的有益效果是：
(1)在搅拌摩擦焊过程的基础上结合搅拌摩擦增材过程，其中搅拌摩擦增材过程的焊具采用增材料杆与钢套筒，增材料杆作为增材原材料与摩擦热源设置在钢套筒内部；钢套筒可以强制焊道成形，同时起到防止塑性状态材料溢出、保持增材料杆刚性的作用。
(2)使增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心，当增材料杆高速旋转并压紧焊缝后摩擦产热，使得增材料杆伸出钢套筒部分呈热塑性状态，随着焊接的进行与增材料杆向下方的持续进给，高度塑性变形的材料在钢套筒的顶锻作用下逐渐沉积在焊缝上，形成填补的金属，从而完成对负余高与匙孔的填补。本方法填补了传统搅拌摩擦焊由于搅拌针退出与轴间下压导致的焊缝金属缺失，实现了有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝，增强了焊缝力学性能。
(3)通过调节增材料杆相对于钢套筒的伸出量与焊接速度，实现焊缝余高的不同高度；通过改变增材料杆与钢套筒的直径，实现焊缝余高的不同宽度。进而可以实现对焊缝深宽比的控制。
附图说明
图1为本发明有余高、无匙孔搅拌摩擦焊接方法示意图；
图中：1－搅拌头、2－工件、3－焊缝、4－匙孔、5－负余高、6－增材料杆、7－钢套筒、8－填补的金属。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
步骤1：焊接开始，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压量和焊接路径，启动动力装置，搅拌头1的搅拌针与轴肩高速旋转插入待焊工件2，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头1抬起，由于搅拌针与轴肩退出，在焊缝3上留下搅拌针插入部分与轴肩下压量体积对应的金属缺失，形成匙4与负余高5；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，预设焊接参数，焊接参数包括焊接速度、增材料杆与钢套筒转速、增材料杆伸出量、增材料杆送给速度，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心。当增材料杆6高速旋转并压紧焊缝3后摩擦产热，使得增材料杆6伸出钢套筒7部分呈热塑性状态，随着焊接的进行与增材料杆6向下方的持续进给，高度塑性变形的材料在钢套筒7的顶锻作用下逐渐沉积在焊缝3上，形成填补的金属8，从而完成对负余高5与匙孔4的填补。钢套筒7除了可以强制焊道成形，同时起到防止塑性状态材料溢出、保持增材料杆刚性的作用；
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，增材料杆6与钢套筒7同时抬起，完成对步骤2结束后搅拌摩擦焊缝的填补，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
实施例1：5mm厚7050铝合金直缝对接焊实现1mm余高且无匙孔
步骤1：搅拌针直径6mm，长度4.7mm，轴间直径25mm，搅拌头转速800r/min，焊接速度100mm/min，轴间下压量0.1mm，焊接路径为直缝，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，在焊缝上留下0.1mm负余高与直径6mm，深4.8mm的匙孔；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心，焊接速度200mm/min、增材料杆与钢套筒转速800r/min、增材料杆伸出量1.2mm，当焊至匙孔位置时，停留10秒以完成对匙孔的填补；
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
实施例2：3mm厚7075铝合金直缝对接焊实现0.5mm余高且无匙孔
步骤1：搅拌针直径6mm，长度2.7mm，轴间直径25mm，搅拌头转速1000r/min，焊接速度100mm/min，轴间下压量0.15mm，焊接路径为直缝，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，在焊缝上留下0.15mm负余高与直径6mm，深2.85mm的匙孔；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心，焊接速度200mm/min、增材料杆与钢套筒转速1000r/min、增材料杆伸出量0.8mm，当焊至匙孔位置时，停留6秒钟以完成对匙孔的填补；
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
实施例3：6mm厚6061铝合金直缝对接焊实现1mm余高且无匙孔
步骤1：搅拌针直径6mm，长度5.6mm，轴间直径25mm，搅拌头转速1100r/min，焊接速度50mm/min，轴间下压量0.2mm，焊接路径为直缝，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，在焊缝上留下0.2mm负余高与直径6mm，深5.8mm的匙孔；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心，焊接速度100mm/min、增材料杆与钢套筒转速1100r/min、增材料杆伸出量1.3mm，当焊至匙孔位置时，停留10秒钟以完成对匙孔的填补；
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
实施例4：4mm厚5083铝合金直缝对接焊实现1mm余高且无匙孔
步骤1：搅拌针直径6mm，长度3.6mm，轴间直径25mm，搅拌头转速1200r/min，焊接速度100mm/min，轴间下压量0.15mm，焊接路径为直缝，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，在焊缝上留下0.15mm负余高与直径6mm，深3.75mm的匙孔；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心，焊接速度200mm/min、增材料杆与钢套筒转速1200r/min、增材料杆伸出量1.3mm，当焊至匙孔位置时，停留6秒钟以完成对匙孔的填补；
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
将尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊方法，其特征在于：包括搅拌摩擦焊过程与搅拌摩擦增材过程。
2.根据权利要求1所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：搅拌摩擦焊过程的焊具为搅拌头，搅拌摩擦增材过程的焊具为增材料杆与钢套筒。
3.根据权利要求2所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：增材料杆设置在钢套筒内部，增材料杆与钢套筒同轴安装、共同旋转且在轴向可以相对运动，增材料杆相对于钢套筒有伸出量。
4.根据权力要求3所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：增材料杆高速旋转与焊缝之间摩擦产热成为热源的同时也是增材的原料。
5.根据权利要求3所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：钢套筒起到强制焊道成形，同时起到防止塑性状态材料溢出、保持增材料杆刚性的作用。
6.根据权利要求3所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，其方法包括如下步骤：
步骤1：焊接开始，预设焊接参数，启动动力装置，搅拌头的搅拌针与轴肩高速旋转插入待焊工件，进行正常搅拌摩擦焊过程；
步骤2：搅拌摩擦焊接过程结束，搅拌头抬起，由于搅拌针与轴肩退出，在焊缝上留下搅拌针插入部分与轴肩下压量对应体积的金属缺失，形成匙孔与负余高；
步骤3：搅拌摩擦增材过程由步骤1焊缝的启焊位置开始，预设焊接参数，增材路径与焊接路径相同，增材料杆中心对准焊缝中心；当增材料杆高速旋转并压紧焊缝后摩擦产热，使得增材料杆伸出钢套筒部分呈热塑性状态，随着焊接的进行与增材料杆向下方的持续进给，高度塑性变形的材料在钢套筒的顶锻作用下逐渐沉积在焊缝上，形成填补的金属，从而完成对负余高与匙孔的填补。
步骤4：搅拌摩擦增材过程结束，增材料杆与钢套筒同时抬起，完成对步骤2结束后搅拌摩擦焊缝的填补，得到有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊缝。
7.根据权利要求6所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤1中，预设焊接参数包括焊接速度、搅拌头转速、轴肩下压量和焊接路径。
8.根据权利要求6所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤3中，预设焊接参数包括焊接速度、增材料杆与钢套筒转速、增材料杆伸出量、增材料杆送给速度。
9.根据权利要求6所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤3中，通过调节增材料杆相对于钢套筒的伸出量与焊接速度，实现焊缝余高的不同高度。
10.根据权利要求6所述的有余高、无匙孔的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤3中，通过改变增材料杆与钢套筒的直径，实现焊缝余高的不同宽度。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116408532A (zh) * | 2023-05-25 | 2023-07-11 | 河北科技大学 | 一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统 |
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2022
- 2022-11-29 CN CN202211515717.0A patent/CN115709330A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116408532A (zh) * | 2023-05-25 | 2023-07-11 | 河北科技大学 | 一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统 |
| CN116408532B (zh) * | 2023-05-25 | 2023-09-22 | 河北科技大学 | 一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统 |
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