CN116237631A - 电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法，包括焊接单元和电阻随焊辅助加热单元，焊接单元包括绝缘底板、待焊工件以及搅拌头，待焊工件设置在绝缘底板上；电阻辅助加热单元包括滚轮组件、外接电源以及电极，电极夹持于绝缘底板中并位于待焊区域的正下方，滚轮组件安装在搅拌头的第一侧，外接电源的正负极分别连接滚轮组件和电极并形成回路，在焊接过程中，外接电源通过滚轮组件和电极持续向待焊区域通电，从而对待焊区域进行预加热处理。本发明采用了局部加热，在焊接区域前方形成一个热影响区很小的柱形加热软化区，保证在搅拌摩擦焊过程中搅拌针可以整体搅动软化充分的材料，缓解搅拌头磨损问题，提高搅拌头使用寿命。

Description

电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法

技术领域

本发明涉及高端智能制造装备技术领域，具体地，涉及一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法，尤其是一种适用于焊接具有高强度、高硬度、高熔点的金属及相关复合材料的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接难熔高强材料的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种先进的固相焊接技术，具有无焊材消耗、焊后工件残余应力小、接头力学性能好、便于自动化焊接等优点，在航空航天、造船、铁路等工业领域得到了广泛应用。搅拌摩擦焊的焊具一般是非消耗性惰性材料所制，由搅拌针和轴肩组成，其中搅拌针负责焊接过程中摩擦热的产生和材料混合，轴肩提供摩擦热的同时还可以防止在焊接过程中塑性材料从焊接区域溢出。

搅拌摩擦焊近年来已被广泛地应用于铝、镁等低硬度、低熔点金属材料的连接。但是在焊接中高硬度和高熔点材料，如铁、钛、镍和其他金属基复合材料时，搅拌摩擦焊遇到了诸多挑战。在搅拌摩擦焊接过程中，要求材料产生足够高的热量使工件发生软化才可进行焊接。而对于难熔高强金属材料，由于其熔点高、硬度大，相应的塑化温度高、流变应力大，这便要求焊具需要施加更高的向下轴向力和更大的主轴扭矩，导致焊具磨损严重，并在一定程度上降低焊接效率。焊具的严重磨损会导致焊具服役寿命减短，进而影响焊接质量并提高生产成本。目前，搅拌摩擦焊具材质包括工具钢、WC基合金、氮化硅、钨基合金、多晶立方氮化硼(pcBN)等，但在焊接难熔高强金属材料时，上述焊具仍极易磨损。

传统的电阻热辅助装备是对工件待焊区域进行整体加热或较大区域的局部加热，热影响区较大。部分传统的电阻热辅助装备只能实现待焊工件表面的加热，会在待焊工件的板厚方向上形成温度梯度。由于板厚方向温度梯度的存在，在搅拌摩擦焊焊接难熔高强金属材料时，搅拌针底部依旧在搅动冷的硬质金属，使搅拌针承受负载较大，磨损严重。

公开号为CNCN203579008U的专利文献公开了一种搅拌摩擦焊接系统，包括：用于沿着第一部件与第二部件之间的接缝来旋转搅拌摩擦焊接工具以在其间形成焊缝的装置；用于测量第一部件与第二部件中至少一个的温度的装置；及用于在沿着接缝引导所述旋转的搅拌摩擦焊接工具的同时调整多个工艺参数中的一个或多个，以便减小所述温度与焊缝的期望温度之间的温度差的装置，其中所述工艺参数包括：所述搅拌摩擦焊接工具的轴向力、馈送速率、倾斜角和旋转速度。但是该系统中未设置局部加热设备，在焊接难熔高强金属材料时，焊具极易磨损。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法，拟利用电阻辅助加热元件，来局部软化待焊工件，从而拓宽工件的焊接工艺窗口，其次通过电致塑性效应，促进焊接过程中难熔高强金属材料的塑性流动，实现低磨损长寿命搅拌摩擦焊的目标。

根据本发明提供的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，包括焊接单元和电阻随焊辅助加热单元，所述焊接单元用于实现搅拌摩擦焊接，所述电阻辅助加热单元用于实现在焊接过程中对待焊区域进行预加热处理；

所述焊接单元包括绝缘底板、待焊工件以及搅拌头，所述待焊工件设置在所述绝缘底板上，所述搅拌头用于对所述待焊工件进行搅拌摩擦焊接；

所述电阻辅助加热单元包括滚轮组件、外接电源以及电极，所述电极夹持于所述绝缘底板中并位于待焊区域的正下方，所述滚轮组件安装在所述搅拌头的前侧，在焊接过程中，所述滚轮组件压紧待焊区域；

所述外接电源的正负极分别连接滚轮组件和电极并形成回路，在焊接过程中，所述外接电源通过滚轮组件和电极持续向待焊区域通电，从而对待焊区域进行预加热处理。

优选地，所述搅拌头安装在外界主轴箱下端，所述搅拌头包括轴肩与设置在所述轴肩底端的搅拌针，在焊接过程中，所述搅拌针伸入待焊区域中。

优选地，其特征在于，所述滚轮组件包括金属轮、导电支架以及绝缘连接件，所述绝缘连接件固定安装在所述主轴箱的外壳上；

所述绝缘连接件的下端连接导电支架，所述金属轮设置在所述导电支架中，并压紧所述待焊区域。

优选地，所述滚轮组件还包括弹簧，所述弹簧的一端连接所述绝缘连接件的下端，弹簧的另一端连接所述导电支架的上端。

优选地，所述金属轮包括铜轮。

优选地，所述电极包括铜芯电极。

优选地，所述外接电源的输出电流为直流电流，所述直流电流强度为1000-6000A。

优选地，所述绝缘底板为两块，两块所述绝缘底板的外侧均设置有压紧块，所述电极通过压紧块压紧夹持于两块所述绝缘底板之间，所述电极的中心线位于两待焊工件的焊接线上。

根据本发明提供的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备的焊接方法，采用所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，包括如下步骤：

步骤1：通过压紧块将电极固定于两块绝缘底板之间，将两待焊工件固定于含电极的绝缘底板上，将两待焊工件压紧，确保待焊区域置于电极上，开动机床将金属轮移动至焊接起始点位置，确保金属轮位于待焊区域并且压紧于待焊工件上；

步骤2：设置搅拌头的工艺参数，包括预设转速、预设焊接速度以及预设搅拌头位移量；

步骤3：打开外接电源，调整外接电源输出直流电流至预设值后，开始焊接过程，搅拌头转动、下压至预设搅拌头位移量并向前移动，金属轮跟随搅拌头同步运动，并通过弹簧保持与待焊工件紧密贴合；

步骤4：搅拌头行进至焊接终点时，停止外接电源的电流加载，搅拌头停转、拔出、抬起并移动至起点位置，焊接过程结束。

优选地，步骤2中，所述预设转速为100-2000rpm，预设焊接速度为30-500mm/min，预设搅拌头位移量由待焊工件的厚度决定，搅拌头的主轴倾角为3°。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单，操作方便，采用了局部加热方式，通过金属轮将电流传递到两工件待焊区域，在焊接区域前方形成一个热影响区很小的柱形加热软化区，柱形软化区在板厚方向上温度均匀性较好，保证在搅拌摩擦焊过程中搅拌针可以整体搅动软化充分的材料，在保证焊接质量的同时，缓解搅拌头磨损问题，提高搅拌头使用寿命。

2、本发明采用在金属轮与绝缘连接件之间设置弹簧的技术手段，能够应对铜轮沿高度方向的相对波动，保证在焊接过程中，金属轮始终保持与工件待焊区域紧密贴合。

3、本发明能够实现对工件待焊区域的柱形局部加热，因此加热装置不受工件尺寸的限制，其次，本发明所提出的装备易于对现有的搅拌摩擦焊装备进行改造，可以节约生产成本，扩大本发明的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体结构示意图。

图中示出：

绝缘底板1 轴肩6

电极2 绝缘连接件7

金属轮3 弹簧8

导电支架4 待焊工件9

外接电源5

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开了一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备及其焊接方法，由于引入高密度的电流，产生焦耳热效应，进而预先加热工件的待焊区域；高密度电流产生的电致塑性效应可以促进位错滑移，提高材料的塑性流动能力。以上所述效应可以显著降低搅拌摩擦焊焊接过程所需的焊接轴向力和扭矩，减少焊具磨损，延长焊具使用寿命。

根据本发明提供的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，如图1所示，包括焊接单元和电阻随焊辅助加热单元，所述焊接单元用于实现搅拌摩擦焊接，所述电阻辅助加热单元用于实现在焊接过程中对待焊区域进行预加热处理；

所述焊接单元包括绝缘底板1、待焊工件9以及搅拌头，所述待焊工件9设置在所述绝缘底板1上，所述搅拌头用于对所述待焊工件9进行搅拌摩擦焊接；所述搅拌头安装在外界主轴箱下端，所述搅拌头包括轴肩6与设置在所述轴肩6底端的搅拌针，在焊接过程中，所述搅拌针伸入待焊区域中。

所述电阻辅助加热单元包括滚轮组件、外接电源5以及电极2，所述电极2夹持于所述绝缘底板1中并位于待焊区域的正下方，所述滚轮组件安装在所述搅拌头的前侧，在焊接过程中，所述滚轮组件压紧待焊区域；所述外接电源5的正负极分别连接滚轮组件和电极2并形成回路，在焊接过程中，所述外接电源5通过滚轮组件和电极2持续向待焊区域通电，从而对待焊区域进行预加热处理。

优选地，所述绝缘底板1为两块，两块所述绝缘底板1的外侧均设置有压紧块，所述电极2通过压紧块压紧夹持于两块所述绝缘底板1之间，所述电极2的中心线位于两待焊工件的焊接线上。

所述滚轮组件包括金属轮3、导电支架4以及绝缘连接件7，所述绝缘连接件7固定安装在所述主轴箱的外壳上；所述绝缘连接件7的下端连接导电支架4，所述金属轮3设置在所述导电支架4中，并压紧所述待焊区域；所述外接电源5正极输出的电流依次通过导电支架4、金属轮3、待焊区域以及电极2流入负极，形成回路，优选地，所述外接电源5的输出电流为直流电流，电流的大小由待焊工件9所需预加热温度决定，优选地，所述直流电流强度为1000-6000A确保待焊工件9预软化充分。本发明的辅助加热装备由于引入高密度的电流，产生焦耳热效应，进而预先加热工件的待焊区域；高密度电流产生的电致塑性效应可以促进位错滑移，提高材料的塑性流动能力。以上所述效应可以显著降低搅拌摩擦焊焊接过程所需的焊接轴向力和扭矩，减少焊具磨损，延长焊具使用寿命。

所述金属轮3包括铜轮，所述电极2包括铜芯电极，所述滚轮组件还包括弹簧8，所述弹簧8的一端连接所述绝缘连接件7的下端，弹簧8的另一端连接所述导电支架4的上端。所述弹簧8能够应对铜轮沿高度方向的相对波动，保证在焊接过程中，铜轮始终保持与工件待焊区域紧密贴合。

本发明通过绝缘连接件7来确保铜轮在焊接过程中始终随着搅拌头沿着待焊区域发生移动，铜轮位于搅拌头前方，能先对焊接区域进行充分预热，形成柱形预热软化区域。预热结束后，搅拌头能立即对预热区域进行焊接。

本发明在搅拌摩擦焊接之前对难熔高强金属材料的待焊区域进行预加热软化，可大大降低焊接过程焊具的负载，从而降低焊具的磨损程度，提高焊具的使用寿命，进而拓宽搅拌摩擦焊工艺窗口并提高焊接效率和焊接质量。综合以上分析，在待焊工件上采取预加热软化措施，实现难熔高强金属材料待焊区域的局部软化，可以拓宽搅拌摩擦焊技术的应用范围。

根据本发明提供的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备的焊接方法，采用所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，包括如下步骤：

步骤1：通过压紧块将电极2固定于两块绝缘底板1之间，将两待焊工件9固定于含电极2的绝缘底板1上，将两待焊工件9压紧，确保待焊区域置于电极2上，开动机床将金属轮3移动至焊接起始点位置，确保金属轮3位于待焊区域并且压紧于待焊工件9上；

步骤2：设置搅拌头的工艺参数，包括预设转速、预设焊接速度以及预设搅拌头位移量；

步骤3：打开外接电源5，调整外接电源5输出直流电流至预设值后，开始焊接过程，搅拌头转动、下压至预设搅拌头位移量并向前移动，金属轮3跟随搅拌头同步运动，并通过弹簧8保持与待焊工件9紧密贴合；

步骤4：搅拌头行进至焊接终点时，停止外接电源5的电流加载，搅拌头停转、拔出、抬起并移动至起点位置，焊接过程结束。

步骤2中，所述预设转速为100-2000rpm，预设焊接速度为30-500mm/min，预设搅拌头位移量由待焊工件9的厚度决定，搅拌头的主轴倾角为3°。

实施例1

本实施例中，使用本发明提出电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊装备焊接轧制的长200mm、宽50mm、厚2mm的Ti-6Al-4V合金板，搅拌头材质为WC基合金，轴肩直径为12mm，搅拌针为圆柱形无螺纹结构，搅拌针直径4mm，长1.8mm；将两待焊工件固定于含铜芯电极的绝缘底板上，确保两待焊工件之间压紧，且待焊区域置于铜芯电极上；焊接工艺参数：搅拌头转速为325rpm，焊接移动速度为50mm/min，搅拌头旋转轴倾斜角为3°，搅拌头位移量为1.8mm。搅拌针位于待焊Ti-6Al-4V合金板的中心处，偏移量为零。外接电源施加2000A的直流电流。

本发明提出的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备能够对待焊工件的焊接区域预先产生较高的热输入，降低了材料的变形抗力，提高其塑性流动能力，显著改善了焊缝的成形质量。本发明具体优点如下：(1)采用本装置焊接的板材，焊缝成形良好，表面较光滑，焊缝无孔洞，无内部或外部缺陷产生；(2)在同等条件下，待焊区域软化程度高，显著降低了焊接时搅拌头施加的向下轴向力和扭矩，缓解搅拌头的磨损程度，提升搅拌头的使用寿命；(3)采用本装置焊接板材，可以在保证良好焊接质量的同时，提高最大容许焊接速度，有利于提高焊接效率。

以上结果证明本发明提出的一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊装备可以焊接难熔高强金属材料，工件焊缝成形良好、搅拌头磨损减轻、使用寿命提高、焊接效率提高。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，包括焊接单元和电阻随焊辅助加热单元，所述焊接单元用于实现搅拌摩擦焊接，所述电阻辅助加热单元用于实现在焊接过程中对待焊区域进行预加热处理；

所述焊接单元包括绝缘底板(1)、待焊工件(9)以及搅拌头，所述待焊工件(9)设置在所述绝缘底板(1)上，所述搅拌头用于对所述待焊工件(9)进行搅拌摩擦焊接；

所述电阻辅助加热单元包括滚轮组件、外接电源(5)以及电极(2)，所述电极(2)夹持于所述绝缘底板(1)中并位于待焊区域的正下方，所述滚轮组件安装在所述搅拌头的前侧，在焊接过程中，所述滚轮组件压紧待焊区域；

所述外接电源(5)的正负极分别连接滚轮组件和电极(2)并形成回路，在焊接过程中，所述外接电源(5)通过滚轮组件和电极(2)持续向待焊区域通电，从而对待焊区域进行预加热处理。

2.根据权利要求1所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述搅拌头安装在外界主轴箱下端，所述搅拌头包括轴肩(6)与设置在所述轴肩(6)底端的搅拌针，在焊接过程中，所述搅拌针伸入待焊区域中。

3.根据权利要求2所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述滚轮组件包括金属轮(3)、导电支架(4)以及绝缘连接件(7)，所述绝缘连接件(7)固定安装在所述主轴箱的外壳上；

所述绝缘连接件(7)的下端连接导电支架(4)，所述金属轮(3)设置在所述导电支架(4)中，并压紧所述待焊区域。

4.根据权利要求3所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述滚轮组件还包括弹簧(8)，所述弹簧(8)的一端连接所述绝缘连接件(7)的下端，弹簧(8)的另一端连接所述导电支架(4)的上端。

5.根据权利要求3所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述金属轮(3)包括铜轮。

6.根据权利要求1所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述电极(2)包括铜芯电极。

7.根据权利要求1所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述外接电源(5)的输出电流为直流电流，所述直流电流强度为1000-6000A。

8.根据权利要求1所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，其特征在于，所述绝缘底板(1)为两块，两块所述绝缘底板(1)的外侧均设置有压紧块，所述电极(2)通过压紧块压紧夹持于两块所述绝缘底板(1)之间，所述电极(2)的中心线位于两待焊工件的焊接线上。

9.一种电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备的焊接方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备，包括如下步骤：

步骤1：通过压紧块将电极(2)固定于两块绝缘底板(1)之间，将两待焊工件(9)固定于含电极(2)的绝缘底板(1)上，将两待焊工件(9)压紧，确保待焊区域置于电极(2)上，开动机床将金属轮(3)移动至焊接起始点位置，确保金属轮(3)位于待焊区域并且压紧于待焊工件(9)上；

步骤2：设置搅拌头的工艺参数，包括预设转速、预设焊接速度以及预设搅拌头位移量；

步骤3：打开外接电源(5)，调整外接电源(5)输出直流电流至预设值后，开始焊接过程，搅拌头转动、下压至预设搅拌头位移量并向前移动，金属轮(3)跟随搅拌头同步运动，并通过弹簧(8)保持与待焊工件(9)紧密贴合；

步骤4：搅拌头行进至焊接终点时，停止外接电源(5)的电流加载，搅拌头停转、拔出、抬起并移动至起点位置，焊接过程结束。

10.根据权利要求9所述的电阻随焊热辅助搅拌摩擦焊接装备的焊接方法，其特征在于，步骤2中，所述预设转速为100-2000rpm，预设焊接速度为30-500mm/min，预设搅拌头位移量由待焊工件(9)的厚度决定，搅拌头的主轴倾角为3°。

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