CN116586745A - 一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，特别是涉及一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置及使用方法。该装置包括支撑体、旋转体和滚动体。旋转体套在支撑体外侧，二者间安装滚动体，从而实现相对自由旋转运动。焊接时，支撑体与旋转体上表面始终与被焊板材下表面相接触。支撑体无旋转运动，仅作与焊接速度相同的直线运动；旋转体在上方材料流动的带动下作受迫旋转运动。本发明首先使用计算模拟方法确定自由旋转支撑装置的几何尺寸，再利用旋转体的自由旋转，在一定程度上消除了材料流动受到的边界摩擦约束，解决了传统背部垫板因摩擦力约束而导致材料流动不充分、焊缝深度不足、焊合效率低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，特别是涉及一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置及使用方法。
背景技术
英国焊接研究所在1991年发明的搅拌摩擦焊(FSW)技术是一种新型的固相焊接工艺，因其能实现铝合金、镁合金、钛合金等高强金属的焊接，现已成为航空航天等国防领域以及汽车高铁等民用领域轻质合金结构件连接的关键技术。
搅拌摩擦焊接的过程中，一个圆柱体的搅拌针伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转，使其与被焊接工件材料摩擦，从而使待连接部位的材料温度升高而软化，同时对材料进行搅拌来完成焊接。然而，在焊接过程中，搅拌头受到高温、顶锻压力、行进阻力及旋转摩擦转矩等复杂热力作用，使得搅拌头的磨损与断裂问题成为了搅拌摩擦焊技术的关键瓶颈。
专利《CN110524105A》提出了一种用于涡流搅拌摩擦焊的旋转焊具及焊接方法，相比于常规搅拌摩擦焊接方法，涡流搅拌摩擦焊接工艺方法采用与母材同材质的搅拌棒代替了常规搅拌摩擦焊接方法中的搅拌针，这在一定程度上解决了常规搅拌摩擦焊接方法中搅拌头的磨损和断裂问题。但是，由于涡流搅拌摩擦焊接工艺方法本身的特点，涡流在自适应形成过程中，受到工件底部较低温度以及背部垫板摩擦力的约束，导致涡流深度和烈度不足，进而出现根部未焊合缺陷。尤其是对于中厚板焊接，与传统搅拌摩擦焊接方法一样，根部未焊合缺陷会严重降低接头的力学性能。
涡流搅拌摩擦焊接方法作为一种新型搅拌摩擦焊接工艺，如何增大涡流搅拌摩擦焊的可焊厚度，还没有相关的研究，焊接辅助装置也有待研发。而在常规搅拌摩擦焊接方法中，为了消除根部未焊透这一缺陷，专利《CN101209511A》在搅拌摩擦焊接过程中针对焊缝背部进行了二次浅层补焊，并得到了显著效果，但是，二次补焊会增加搅拌摩擦焊接加工成本并降低效率，而且该方法对焊接结构与施焊环境有较大限制。专利《CN101733542A》公开了一种使用同质材料垫板并在焊后铣除垫板的装置及方法以消除根部未焊合缺陷，但是，该方法不仅会增加焊接工序和成本，还可能会使焊缝背部出现HOOK缺陷，从而导致接头性能降低。专利《CN102513691A》提出了一种增大焊缝根部金属流动的搅拌针装置及方法，但由于该方法需要对搅拌针进行特定形状的加工，降低了搅拌针的承载能力，影响其使用寿命。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置及使用方法，目的是通过改善涡流运动的力学边界条件，减少工件底部与背部垫板之间的摩擦力约束，从而提高材料流动的深度和强度，提高焊合效率，避免根部未焊合缺陷。
本发明的技术方案，一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，包括支撑体、旋转体和滚动体，支撑体位于装置中部并保持固定，对搅拌棒进行支撑，可防止因涡流搅拌摩擦焊所施加的下压力导致被焊板材发生形变，避免产生焊接缺陷；旋转体套装在支撑体的外部，滚动体装配在支撑体与旋转体之间，且滚动体呈环形阵列分布多个；支撑体和旋转体为圆台型、圆柱型。
旋转体通过滚动体相对于支撑体绕轴线自由旋转运动。旋转体和支撑体间装配滚动体，滚动体为球形滚子、圆锥滚子或圆柱滚子，实现旋转体对支撑体绕轴线的自由旋转运动。滚动体的存在，将大面积的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩损，提高使用寿命。
支撑体和旋转体上表面处于同一平面。装置的上表面沿任一方向的最小长度不小于所使用搅拌棒直径的2/3。其有益效果是，该装置可以实现有效支撑，防止因支撑面积不足导致材料塌陷，造成焊接失败。旋转体的数量为单层或多层，旋转体的数量和尺寸根据搅拌棒的直径、加工要求、实际工况以及数值模拟计算综合确定，但应满足：旋转体的直径不大于套筒的端部外径，不小于搅拌棒的直径的2/3，旋转体的层数不超过10层。材料流动区域完全包含于辅助支撑装置的可自由旋转范围内，通过合理地设置旋转体的尺寸和数量，最大程度消除材料流动区下方的摩擦力约束
一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置的使用方法，包括以下具体步骤：
S1、使用Ansys、Deform或Abaqus计算机模拟软件，建立涡流搅拌摩擦焊接数值模型，得到涡流搅拌摩擦焊接时的材料流场分布数值模拟图；
S2、根据模拟计算结果，加工自由旋转支撑装置；
S3、将自由旋转支撑装置安装于搅拌棒的正下方，并利用该装置进行辅助焊接。
S2包括以下步骤：
S21、根据S1所得到的流场分布数值模拟图，确定旋转体的数量，及支撑体和旋转体的尺寸,并进行加工制造；
S22、在支撑体外侧套入旋转体，滚动体位于支撑体和旋转体之间，将滚动体与支撑体外表面凹槽和旋转体内表面凹槽配合；
S23、若旋转体为多层，则重复步骤S22，直至将各层旋转体全部装配好。
S3包括以下步骤：
S31、将所装配完成的装置固定安装在工作位置上；
S32、焊接过程中，使装置中支撑体与旋转体上表面始终与被焊板材下表面接触；搅拌棒与支撑体处于同轴心位置；
S33、支撑体无旋转运动，并在工作位置上保持与搅拌棒相同行进速度作直线运动。
焊接时将直线导轨固定在工作台上，将两侧支架根据被焊工件的宽度平行安装在直线导轨两侧，并固定在工作台上，滑块滑入直线导轨。将所装配完成的自由旋转支撑装置固定安装在直线导轨滑块上。直线导轨、支架和工作台静止不动。
将被焊工件固定在夹具中，夹具固定安装在支架上。在焊接过程中，支撑体与旋转体上表面始终与被焊板材下表面接触。搅拌棒与支撑体处于同轴心位置。支撑体无旋转运动，且保持与搅拌棒相同行进速度在导轨滑块上作直线运动，实现焊接过程。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明设计了可以自由旋转的辅助支撑装置，在涡流搅拌摩擦焊接过程中，旋转体可以跟随上方的材料流动而自由旋转，改善了背部支撑对材料流动的摩擦约束，减少了传统背部垫板对材料流动的摩擦阻力，提高了材料流动强度，从而有效提高焊合效率，改善焊缝底部的接合质量，消除焊缝底部的弱连接缺陷。
2、本发明通过自由旋转支撑结构，实现涡流底部材料的低约束自由流动。与常规涡流搅拌摩擦焊相比，在达到相同的焊缝深度要求下，采用该发明的焊接方法，可以实现更低的能量消耗，避免了过多的热输入而导致的接头软化或打滑现象，从而提高接头力学性能。
3、本发明通过改善背部垫板对涡流的摩擦约束，可以在一定程度上增大工件的可焊厚度。一般来说，在常规涡流搅拌摩擦焊中，焊缝的质量受搅拌棒转速、焊接速度、搅拌棒直径等条件的限制，要保证合格的焊缝质量，在最优参数范围内，被焊板材的厚度也将受到限制。使用该发明辅助涡流搅拌摩擦焊接可以扩大该焊接方式适用的板材厚度范围，解决涡流搅拌摩擦焊接可焊厚度不足的问题。
附图说明
图1是本发明的辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置的三维模型示意图；
图2是本发明实施例1涡流搅拌摩擦焊接装置的横截面示意图；
图3是本发明实施例1涡流搅拌摩擦焊接装置去除工作台8、支架7、夹具6的侧视向各部件相对位置示意图；
图4是本发明实施例2自由旋转支撑装置的横截面示意图；
图5是本发明实施例1和实施例2所用的直径为16mm搅拌棒进行涡流搅拌摩擦焊接时材料流场分布数值模拟图。
附图标记：1、支撑体；2、旋转体；3、滚动体；4、搅拌棒；5、套筒；6、夹具；7、支架；8、工作台；9、直线导轨；10、滑块；11、被焊工件；12、密封圈；13、保持架；14、连接块。
具体实施方式
实施例1
一种辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置及使用方法，结合图1、图2、图3和图5说明本实施例。
如图1、图2、图3和图5所示，本实施例的一种辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置上表面直径尺寸为20mm。在使用直径为16mm的搅拌棒4、前端壁厚为2mm的套筒进行涡流搅拌摩擦焊接时，使用计算机模拟软件，基于物理学定律，建立涡流搅拌摩擦焊接数值模型，得到涡流搅拌摩擦焊接时材料流场分布数值模拟图。根据数值模拟结果对流场进行分层(主要根据流场中质点的角速度梯度)，得到如图5所示的13个材料流动的速度分区。为保证各层旋转体和支撑体有足够的强度，所以在设计用于辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置时，对材料流动分层厚度较小的部分进行合并，不单独设计加工旋转体。本实施例优选旋转体2的数量为3；支撑体上表面直径3.2mm，这部分材料流速低，用来作为支撑部分；内侧旋转体上端面内径为4.8mm，外径为7.2mm，这部分材料流速较低，为低速转动旋转体；中间旋转体上端面内径为8.8mm，外径为15.2mm，这部分材料流速较高，为高速转动旋转体；外侧旋转体上端面内径为16.8mm，外径为20mm。各层旋转体上端面平行间距0.8mm，锥度2：1。
本实施例的一种用于辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置，它包括支撑体1、旋转体2和滚动体3，支撑体1在装置最内侧无旋转运动，起支撑作用。旋转体2套在支撑体1外侧，旋转体2和支撑体1间装配滚动体3，实现旋转体2对支撑体1绕轴线的自由旋转运动，支撑体1和旋转体2上表面处于同一平面。
支架7根据被焊工件11宽度平行固定安装在工作台8上，直线导轨9固定安装在两支架7中间，滑块10可在直线导轨9上滑动，支撑体1直接固定在滑块10上，夹具6夹紧被焊工件11水平固定在支架7上，被焊工件11下表面与辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置上表面接触。搅拌棒4固定安装在套筒5中，套筒5及其中搅拌棒4与被焊工件11上表面接触。搅拌棒4与支撑体1同轴心安装。
如图2和图3所示，本实施例优选滚动体3类型为球体，滚动体数量优选为20。
如图2和图3所示，采用上述实施例1的辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置进行涡流搅拌摩擦焊接。焊接开始时，套筒5带动搅拌棒4旋转下压，在下压量达到要求后，停留一段时间。在被焊工件11材料流动和自由旋转支撑装置中旋转体2运动稳定后，搅拌棒4开始沿焊接方向移动，进行焊接。焊接过程中，被焊工件11、直线导轨9、夹具6、支架7和工作台8静止不动，自由旋转支撑装置与搅拌棒4同起点，同时，以相同速度沿焊接方向作直线运动，直至焊接完成。
与使用传统背部垫板的涡流搅拌摩擦焊接过程相比，本实施例中，在涡流搅拌摩擦焊接过程中，本发明装置中旋转体2跟随因搅拌棒4的旋转而形成的材料流动，进行自由旋转运动，改善了背部支撑的摩擦约束，减少了因传统背部垫板对材料流动的摩擦阻力，提高了焊合效率，避免了因材料流动不充分导致的弱连接缺陷，从而提高了焊缝性能，获得了良好的焊接接头。
实施例2
作为实施例1的用于辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置的改进，结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施例，支撑体1和旋转体2在实施例1圆台结构的基础上，支撑体1上、下端面设置圆柱体结构，旋转体2上、下端设置薄壁圆筒结构，设置的各圆柱、圆筒结构高度相同，支撑体1和旋转体2上表面处于同一平面内。在各圆柱、圆筒结构间空隙即支撑体1与旋转体2，或者多层旋转体2之间的空隙开有密封槽，安装密封圈12。支撑体1与滑块10的连接固定选用连接块14，支撑体1下端开盲孔，与连接块14上端面设置的凸台过盈配合，实现支撑体1的固定。滚动体3安装在保持架13中，与在支撑体1或旋转体2上所开的凹槽配合，滚动体3和保持架13位置均匀分布在整个装置中。
本实施例滚动体3类型优选圆柱滚子，滚动体数量优选为30。
其余具体实施方案和与实施例1相同。
支撑体1和旋转体2上下圆柱结构的设置方便实现在焊接过程中因材料流动而产生的扭矩的传递，密封圈12包括上层密封圈和下层密封圈，上层密封圈可以防止材料软化进入装置破坏装置。同时上下层密封圈可以起到防尘作用，本实施例滚动体3优选润滑方式为脂润滑，设置上下密封圈防止润滑脂流出损耗，使装置中滚动体3长时间保持脂润滑的状态。
滚动体3装配在保持架13中，限制各滚动体3的相对位置关系，防止在旋转体2旋转过程中各滚动体3发生碰撞，延长装置的使用寿命。
滚动体优选圆柱滚子，提高装置对焊接压力的承载能力。
本实施例通过对实施例1的改进，可以提高用于辅助涡流搅拌摩擦焊接的自由旋转支撑装置的承载能力，延长装置的使用寿命，改善滚动体的滚动环境，确保装置中旋转体2转动和滚动体3滚动的平稳性，提高装置使用的可靠性。
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 (10)
1.一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，包括支撑体(1)、旋转体(2)和滚动体(3)，其特征在于：支撑体(1)位于装置中部并保持固定，对搅拌棒(4)进行支撑；旋转体(2)套装在支撑体(1)的外部，滚动体(3)装配在支撑体(1)与旋转体(2)之间，且滚动体(3)呈环形阵列分布多个；
旋转体(2)通过滚动体(3)相对于支撑体(1)绕轴线自由旋转运动。
2.根据权利要求1所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：支撑体(1)和旋转体(2)上表面处于同一平面。
3.根据权利要求2所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：装置的上表面沿任一方向的最小长度不小于所使用搅拌棒(4)直径的2/3。
4.根据权利要求1所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：旋转体(2)的数量为单层或多层，旋转体(2)的数量和尺寸根据搅拌棒(4)的直径、加工要求、实际工况以及数值模拟计算综合确定。
5.根据权利要求4所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：旋转体(2)的直径不大于套筒(5)的端部外径，且不小于搅拌棒(4)的直径的2/3，旋转体(2)的层数不超过10层。
6.根据权利要求1所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：支撑体(1)和旋转体(2)为圆台型、圆柱型。
7.根据权利要求1所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置，其特征在于：滚动体(3)为球形滚子、圆锥滚子或圆柱滚子。
8.一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置的使用方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
S1、使用Ansys、Deform或Abaqus计算机模拟软件，建立涡流搅拌摩擦焊接数值模型，得到涡流搅拌摩擦焊接时的材料流场分布数值模拟图；
S2、根据模拟计算结果，加工自由旋转支撑装置；
S3、将自由旋转支撑装置安装于搅拌棒(4)的正下方，并利用该装置进行辅助焊接。
9.根据权利要求8所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置的使用方法，其特征在于：S2包括以下步骤：
S21、根据S1所得到的流场分布数值模拟图，确定旋转体(2)的数量，及支撑体(1)和旋转体(2)的尺寸,并进行加工制造；
S22、在支撑体(1)外侧套入旋转体(2)，滚动体(3)位于支撑体(1)和旋转体(2)之间，将滚动体(3)与支撑体(1)外表面凹槽和旋转体(2)内表面凹槽配合；
S23、若旋转体(2)为多层，则重复步骤S22，直至将各层旋转体(2)全部装配好。
10.根据权利要求8所述的一种辅助涡流搅拌摩擦焊的自由旋转支撑装置的使用方法，其特征在于：S3包括以下步骤：
S31、将所装配完成的装置固定安装在工作位置上；
S32、焊接过程中，使装置中支撑体(1)与旋转体(2)上表面始终与被焊板材下表面接触；搅拌棒(4)与支撑体(1)处于同轴心位置；
S33、支撑体(1)无旋转运动，并在工作位置上保持与搅拌棒(4)相同行进速度作直线运动。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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