CN116871656A - 一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，属于异种金属搅拌摩擦焊接技术领域。包括静轴肩、搅拌针、送丝装置，步骤如下：铣削待焊工件，需要对较硬的合金进行加工，将对接横截面切为L型。较软合金不加工，二者在装配后形成带钝边J型坡口。钝边高度为10％‑70％板厚，台阶宽度为5％‑50％板厚；打磨、装配工件至工作台；安装搅拌头，调整焊机坐标；设置相关参数，启动送丝机、预热装置和搅拌摩擦焊机，进行焊接；焊后冷却，焊接完成。本发明能够避免大差异异种金属搅拌摩擦焊接过程中由于工件上下部产热差异而带来的热量分布不均匀问题，并且能够调节焊缝内部成分，强化界面，减少金属间化合物的生成，提高接头强度。

Description

一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，属于异种金属搅拌摩擦焊接技术领域。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着国家对于制造业可持续发展要求的不断提高和出于建设节约型社会的客观需要，异种材料的连接技术已成为焊接领域的主要发展方向之一。异种材料复合接头，有利于节约矿产资源、减轻结构重量、降低生产成本，实现不同材料之间优势互补。但是，异种材料之间的材料属性差异较大且高温时容易发生反应，采用传统熔焊后容易产生工件过大变形和脆硬的金属间化合物，严重影响到了接头的使役性能。因此，以搅拌摩擦焊为代表的固相连接技术，在避免传统熔焊带来的问题(例如，气孔、夹杂、热裂纹、过厚金属间化合物、焊后大变形)上有明显优势。

搅拌摩擦焊具有接头质量高、焊接变形小、焊接过程绿色环保等优点。它是利用高速旋转的搅拌头插入被焊工件的接触表面，通过轴肩及搅拌针与被焊工件的摩擦产热，使搅拌头附近温度升高。同时，通过轴肩施加向下的压力，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，达到塑性状态的材料从搅拌头前部向后部流动，在热和力的共同作用下，材料被连接形成接头。与传统熔焊相比，搅拌摩擦焊热输入小，接头金属间化合物较薄，且焊接过程材料不熔化，焊后残余应力小，变形量小。

根据现有研究，当搅拌摩擦焊连接异种材料热物理性质差异较大时(例如，铝合金和钛合金连接或者铝合金和钢连接)，熔点和硬度较高的金属一般置于前进侧，且搅拌针应偏向于熔点和硬度较低的金属一侧。目的是为了避免与较硬金属接触过多，减少产热，避免界面形成大量硬脆的金属间化合物，避免焊缝峰值温度接近甚至达到熔点较低母材的熔点。

然而，在异种材料的搅拌摩擦焊接过程中，轴肩产热占比70％左右，沿板厚方向从上往下温度逐渐降低。工件上部受轴肩影响，其产热大、温度高，使得上部异种金属界面反应过于剧烈，易产生粗大过热组织，且易产生较厚的硬脆金属间化合物，恶化接头性能。而工件下部主要受搅拌针的影响，其产热少、温度较低，容易导致工件底部材料流动不足，在焊缝中易形成孔洞等缺陷。

为减少工件沿厚度方向的温度梯度，避免工件上部过热的问题，有研究者提出了静止轴肩搅拌摩擦焊方法，该方法的工具由静止的轴肩和旋转的搅拌针组成。焊接时，搅拌针旋转着沿焊接方向移动的同时，静止轴肩在工件表面滑动，通过搅拌针与周围材料的摩擦产生热量使周围材料发生软化呈塑性状态。因为轴肩静止，与工件材料之间未进行剧烈摩擦，大幅减少了工件上部轴肩产热，能够在一定程度上改善沿板厚方向的热输入分布不均。但是，静止轴肩仍与工件上表面有滑动，其仍存在一定产热，并且为了避免焊接过程中材料溢出进入轴肩与搅拌针之间导致焊机卡死，静止轴肩的搅拌头一般仍然有一个小尺寸的内凹轴肩，因此工件上部产热仍会高于下部。此外，工件底部与刚性垫板直接接触，其下部散热快，常规静止轴肩搅拌摩擦焊难以完全解决板厚方向温度分布不均带来的问题。

在大差异异种金属的静止轴肩搅拌摩擦焊接时，搅拌针通常需要少量偏向较硬的金属。若上部与下部的偏置量相同，由于工件底部接触垫板，散热较快，同样容易引起上部过热问题。如何在静止轴肩搅拌摩擦焊接的基础上，进一步优化焊接热分布，避免工件上部过热导致形成较厚的金属间化合物层和粗晶组织，同时，提升工件底部产热和焊接温度，减小工件下部温度过低导致材料流动不足是目前大差异异种金属焊接亟需解决的关键问题。

专利文献CN202110160985.4提供了一种用于焊接和增材制造的静轴肩填丝系统，该系统能够实现高质量的同质合金的焊接和增材。但是在大差异异种金属连接方面，该装置仍然存在大量的问题。专利文献CN 114985898 A公开了一种用于异种金属斜面对接的搅拌摩擦焊方法，该方法能实现铝/钢异种金属搅拌摩擦焊接的高质量连接。但是该方法对于坡口角度范围要求较高，过大或者过小的角度均不利于接头强度的提升，因此普通的铣床难以实现加工，严重影响到焊接效率的提升。同时，该方法填丝方式稳定性较差，仅是在坡口内部添加焊丝。装配不当容易造成焊缝内部间隙过大，焊核区内缺少金属填充而造成缺陷。因此，对于搅拌摩擦焊接过程中工件的装配提出了更高的要求。为了解决这些问题，本发明提出了相关的改进方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种带间隙填丝的大差异异种金属搅拌摩擦焊接装置及方法，以解决异种材料焊接过程中，工件上部的温度过高容易导致异种金属界面反应过于剧烈引起的接头性能弱化，而工件下部的温度过低容易导致焊接缺陷的问题。

本发明的技术方案如下：

一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，该装置由常规的静轴肩搅拌摩擦焊接系统改造而成，使其实现了搅拌摩擦焊焊接过程中填丝。

包括静轴肩、搅拌针、送丝装置，搅拌针贯穿静轴肩，搅拌针与静轴肩之间为间隙配合，搅拌针上方连接旋转电机，静轴肩在焊接过程中不旋转，静轴肩设有送丝孔，送丝装置将丝材伸入送丝孔，搅拌针下方侧面设有螺纹槽，螺纹槽的起始端高于送丝孔，螺纹槽的终端延伸至搅拌针的底端。螺纹槽的起始端高于送丝孔，以保证送进的丝材能够被搅拌针完全塑化破碎，并通过螺纹槽向下运动，进入焊核区。

所述的间隙为工件之间存在的配合间隙。搅拌针和静轴肩被配置为能够做同步的沿加工轨迹的运动，且搅拌针能够绕自身轴线做旋转运动，搅拌针的加工端外周面设有螺纹槽。在焊接前，需要对较硬的合金进行加工，将对接横截面切为L型，较软合金不加工，二者在装配后形成带钝边J型坡口。

优选的，搅拌针与静轴肩之间的间隙宽度为焊丝直径的1.1-1.5倍。

优选的，当螺纹槽为右旋时，主轴旋转方向为逆时针；螺纹槽为左旋时，主轴旋转方向为顺时针。二者配合，使进入螺纹槽的丝材产生向下旋转运动的合力。

优选的，静轴肩下端面设有轴肩凸台，轴肩凸台与静轴肩一体同轴，轴肩凸台直径小于静轴肩，送丝孔设于轴肩凸台上。以避免焊接过程中材料溢出进入轴肩与搅拌针之间导致焊机卡死。

进一步优选的，送丝孔的数量为至少一个，最多六个，送丝孔均匀轴向分布。根据实际焊接过程中需要填充金属量和实际送丝速度计算需要使用送丝孔数量。

进一步优选的，送丝孔直径为焊丝直径的1.1-1.5倍。

优选的，焊接装置还包括热丝电源，焊丝进入送丝孔前先经过热丝电源进行预热。提供额外热量使其在静轴肩内部加工时能够更容易发生塑性变形，减少和预防焊机卡死现象。

优选的，焊丝包括：铝合金焊丝、镍合金焊丝、高熵合金焊丝、锌合金焊丝，可以选用与待焊板材不同化学成分的焊丝，其目的是为了调整界面冶金反应，强化界面而提升接头强度。

一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

步骤一：将硬度较高的待焊板材对接面的上半部分加工L形，硬度较低的待焊板材不加工，使其在两块板完成对接后形成带钝边的J型坡口；

步骤二：焊接时，将搅拌针偏向硬度较低金属(较软金属)一侧，搅拌针只有较少部分处于硬度较高的金属一侧；硬度较高板应放置在搅拌针前进侧，硬度较低板应放置在搅拌针后退侧；当搅拌针开始旋转并逐渐下压时，由于带钝边J型坡口的存在，在接头的上半部分搅拌针侧面未与硬度较高的金属接触，因此仅与硬度较低的金属发生摩擦而产热塑化周围金属；当搅拌针继续下压至接头的下半部分时，搅拌针同时与硬度较高金属和硬度较低金属接触，共同摩擦产热并软化金属；

步骤三：在搅拌头下压过程完毕后，将丝材送入送丝孔中，丝材在与其连接的送丝机构的推力作用下穿过送丝孔，其端部与搅拌针的螺纹槽接触，在摩擦和预热作用下发生塑化，热塑化状态的丝材受到搅拌针螺纹槽的切削作用后被破碎并挤入螺纹槽中，在搅拌针旋转作用下，塑性软化的丝材沿着螺纹槽运动，进入焊核区，与搅拌区塑性材料混合；

步骤四：待搅拌针的下压力达到预设值后，搅拌针旋转并前进，静轴肩不随搅拌针一同旋转，形成焊道完成焊接过程。

优选的，步骤一中，坡口为台阶式坡口，台阶宽度为5％-50％板厚，钝边高度为10％-70％板厚。

进一步优选的，步骤二中，为避免过多插入较硬金属而大量产热，当搅拌针下压至J型坡口底部时，部分搅拌针插入较硬合金，压入量为10％～80％台阶宽度。

优选的，步骤四中，焊接过程中搅拌针向焊接方向的反方向倾斜。

进一步优选的，步骤四中，搅拌针倾斜的倾角为2°～2.5°。

优选的，步骤四中，焊接过程中工艺参数可为：搅拌针转速为300-1000rpm，焊接速度15-300mm/min。

本发明的有益效果在于：

本发明名称所述间隙指J型坡口台阶宽度，通过采用带钝边J型坡口，使焊接过程中搅拌针在上半部分仅与硬度较低金属发生摩擦，在下半部分同时与两侧金属摩擦。这种接头形式使上下部分的热输入分布均匀，避免了上部温度过高，减少界面反应和抑制晶粒异常长大，改善接头性能。同时提高根部材料流动能力，避免焊缝孔洞缺陷。尤其适用于铝铜，铝镁，铝钛，铝钢，铜钢等材料物理化学性质存在比较大的差异的不同材料。

本发明为了避免因为开坡口带来的焊后接头厚度减薄导致力学性能降低，采用填丝静轴肩结构，通过金属丝的送入补偿坡口处缺失的体积。

本发明可以避免异种金属焊接时上部搅拌针搅入异种金属过多导致变形不协调从而诱发微裂纹和孔洞的问题。

本发明采用丝材为进料，成本低，且可以通过布置多个送丝孔来提高焊接速度。丝材成分可调整，改变焊缝内部合金成分，强化接头界面，提高接头强度。

本发明减少和避免焊接过程中卡丝的问题，添加了焊丝预热装置，提高送丝效率。

本发明采用送丝机填丝，可以根据焊接过程中的参数调节送丝量和送丝速度，能够保证焊缝内部金属填充充分。相比于带角度的坡口，本发明中的坡口仅需要通过普通铣床即可加工，能够有效提高焊接效率。本发明采用静轴肩搅拌针，相比于常规搅拌摩擦焊搅拌针，在改进厚度方向上温度差异过大的问题具有明显优势。

本发明结构无需对现有搅拌摩擦焊接设备进行大规模的改造，有利于技术升级和设备换代，易于快速产业化应用。

附图说明

图1为本发明采用带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置结构示意图；

图2为本发明采用带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置横截面及热丝装置示意图；

图3为本发明的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置方法流程图。

其中：1、搅拌针；2、静轴肩；3、高硬度预加工金属板材；4、低硬度未预加工金属板材；5、丝材；6、焊缝；7、热丝装置。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的异种材料搅拌摩擦焊接方法存在工件厚度方向热输入及温度分布不均匀的问题，容易产生焊接缺陷，针对上述问题，本发明提出了一种带间隙的大差异异种金属搅拌摩擦焊接方法。

实施例1：

一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，该装置由常规的静轴肩搅拌摩擦焊接系统改造而成，使其实现了搅拌摩擦焊焊接过程中填丝。包括静轴肩、搅拌针、送丝装置，搅拌针贯穿静轴肩，搅拌针与静轴肩之间为间隙配合，搅拌针上方连接旋转电机，旋转电机位于焊机外壳内，静轴肩固定连接于焊机外壳底部，静轴肩在焊接过程中不旋转，静轴肩设有送丝孔，送丝装置将丝材伸入送丝孔，搅拌针下方侧面设有螺纹槽，螺纹槽的起始端高于送丝孔，螺纹槽的终端延伸至搅拌针的底端。螺纹槽的起始端高于送丝孔，以保证送进的丝材能够被搅拌针完全塑化破碎，并通过螺纹槽向下运动，进入焊核区。

所述的间隙为工件之间存在的配合间隙。搅拌针和静轴肩被配置为能够做同步的沿加工轨迹的运动，且搅拌针能够绕自身轴线做旋转运动，搅拌针的加工端外周面设有螺纹槽。在焊接前，需要对较硬的合金进行加工，将对接横截面切为L型。较软合金不加工，二者在装配后形成带钝边J型坡口。

当螺纹槽为右旋时(右旋螺纹为常规术语，螺旋线向右上倾斜)，主轴旋转方向为逆时针；螺纹槽为左旋时，主轴旋转方向为顺时针。二者配合，使进入螺纹槽的丝材产生向下旋转运动的合力。

一方面考虑到搅拌针外表面加工有螺纹槽，为防止产生摩擦损坏搅拌针和静轴肩，另一方面考虑到静轴肩自身不旋转的原因，所以静轴肩的内部和搅拌针各部分的配合均为间隙配合；配合间隙过大会导致搅拌针不稳定发生抖动，影响焊接精度，严重时可能会损坏搅拌针，配合间隙过小又会导致搅拌针和静轴肩内部摩擦过大，同样会损坏装置，因此综合考虑选择合适的间隙为略大于焊丝直径，间隙宽度为焊丝直径的1.1-1.5倍。送丝孔直径与该间隙宽度相同。

静轴肩下端面设有轴肩凸台，轴肩凸台与静轴肩一体同轴，轴肩凸台直径小于静轴肩，送丝孔数量为一个、设于轴肩凸台上，送丝孔贯穿轴肩凸台厚度、垂直于静轴肩轴线，如图2所示，用于将外部的丝材送至轴肩凸台内搅拌针处。以避免焊接过程中材料溢出进入轴肩与搅拌针之间导致焊机卡死。

焊接装置还包括热丝电源，焊丝进入送丝孔前先经过热丝电源进行预热。提供额外热量使其在静轴肩内部加工时能够更容易发生塑性变形，减少和预防焊机卡死现象。

采用丝材为进料，成本低，且可以通过不同的丝材成分调控焊缝性能，又可以通过布置多个送丝孔来提高焊接速度。

实施例2：

一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，送丝孔数量为两个，对称分布于轴肩凸台上，可以根据实际焊接过程中需要填充金属量和实际送丝速度计算需要使用送丝孔数量。

实施例3：

本实施例公开了一种利用实施例1所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置的摩擦焊接方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将搅拌针插入静轴肩内，丝材连接送丝机构；将硬度较高的待焊板材对接面的上半部分加工L形，硬度较低的待焊板材不加工，使其在两块板完成对接后形成带钝边的J型坡口。坡口为台阶式坡口，台阶宽度为5％-50％板厚，钝边高度为10％-70％板厚。

步骤二：焊接时，将硬度较大的材料放置于前进侧，调整搅拌针的左侧边缘与熔点较低铝合金边缘重合，再调整搅拌针偏移量，使其少量移动至较硬合金侧，多数在较软金属部分上方。当搅拌针开始旋转并逐渐下压时，由于带钝边J型坡口的存在，在接头的上半部分搅拌针侧面未与硬度较高的金属接触，因此仅与硬度较低的金属发生摩擦而产热塑化周围金属；当搅拌针下压至J型坡口底部时，部分搅拌针插入较硬合金，压入量为0.1-0.8倍台阶宽度，即搅拌针覆盖较硬金属部分的水平方向宽度为0.1-0.8倍台阶宽度，如图2中虚线所示的搅拌针，搅拌针在下压至坡口底部时、开始接触较硬金属板、但并未完全覆盖住整个台阶宽度，一般搅拌针插入较硬金属部分水平方向宽度为0.3-1.2mm。搅拌针整体偏向硬度较低合金板一侧，搅拌针旋转并插入待焊接区域。在接头的上部，搅拌针仅与较软金属和丝材摩擦；在接头的下部，搅拌针同时与较硬金属和较软金属摩擦，共同摩擦产热并软化金属。

步骤三：在搅拌头下压过程完毕后，将丝材送入送丝孔中，丝材在与其连接的送丝机构的推力作用下穿过送丝孔，其端部与搅拌针的螺纹槽接触，在摩擦和预热作用下发生塑化，热塑化状态的丝材受到搅拌针螺纹槽的切削作用后被破碎并挤入螺纹槽中，在搅拌针旋转作用下，塑性软化的丝材金属沿着螺纹槽向下运动，进入搅拌区，与搅拌区塑性材料混合。

步骤四：待搅拌针的下压力达到预设值后，搅拌针旋转并前进，焊接过程中搅拌针向焊接方向的反方向倾斜。随着搅拌头的移动，在其后方静轴肩的挤压下沉积，形成焊缝，实现异种材料焊接；静轴肩在焊接的过程中不旋转，只对塑化的材料施加压力和约束，一次焊接结束后，形成焊道完成焊接过程，焊接表面不需要切削打磨，避免产生加工余量，提高了材料的利用率和焊接效率。焊接完成后，停止送丝，同时，搅拌针逐渐降低转速至完全停止，向上移动搅拌头，最终获得一道内部无缺陷、外部成形良好的焊缝。

实验例1

本实验例利用了基于实施例1和3所述的一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及工艺。本实验例中，硬度较高板的材料为TA1钛合金板材，厚度为7mm，对其进行预加工，切割为台阶状以在对接后形成带钝边J型坡口，钝边高度为3mm，台阶宽度为1mm；硬度较低板的材料为2024-T4铝合金，厚度为7mm，不进行预加工；丝材的材料为2024铝合金，直径为0.2mm；送丝孔的直径为0.3mm，长度为4mm，送丝孔的水平高度距离静轴肩下端面的距离为3mm；搅拌针的材料为H13工具钢，搅拌针的直径为6mm；螺纹槽旋向为右旋；静轴肩的材料为H13工具钢；所采用的工艺参数可为：搅拌针转速为500rpm，焊接速度60mm/min，搅拌针倾角为2.5°。

焊接方法包括以下步骤：

步骤1，焊接前将TA1钛合金板材接合面预加工成台阶状；

步骤2，对两种金属板材进行清理，去除表面油污及氧化皮；

步骤3，将TA1钛合金板材置于前进侧，2024-T4铝合金置于后退侧，将两板对接，使之形成带钝边J型接头；

步骤4，将带有右旋螺纹槽的搅拌针插入静轴肩内，丝材连接送丝设备；

步骤5，将搅拌针的夹持柄连接搅拌摩擦焊机主轴，调整焊机X轴、Y轴和Z轴坐标，调整搅拌针的左侧边缘与2024-T4板材边缘重合，再调整搅拌针偏移量，往TA1合金侧移动0.5mm(TA1合金压入量为0.5mm)；

步骤6，设置焊接参数(主轴转速、焊接速度、搅拌头倾角、搅拌针旋转方向等，在本实验例中优选的搅拌针转速为500rpm，焊速为60mm/min，搅拌头倾角为2.5°，搅拌针旋转方向为逆时针)，启动搅拌摩擦焊机；

步骤7，此时将丝材放入送丝孔中，启动送丝机；

步骤8，焊接完成后，停止送丝，焊接完成。

实验例2

本实验例利用了基于实施例1和3所述的一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及工艺。本实验例中，硬度较高板的材料为TC4板材，厚度为4mm，对其进行预加工，切割为台阶状以在对接后形成带钝边J型坡口，钝边高度为1mm，台阶宽度为0.5mm；硬度较低板的材料为6061-T6铝合金，厚度为4mm，不进行预加工；丝材的材料为纯镍焊丝，直径为0.2mm；送丝孔的直径为0.3mm，长度为4mm，送丝孔的水平高度距离静轴肩下端面的距离为3mm；搅拌针的材料为H13工具钢，搅拌针的直径为6mm；螺纹槽旋向为右旋；静轴肩的材料为H13工具钢；所采用的工艺参数可为：搅拌针转速为700rpm，焊接速度50mm/min，搅拌头倾角为2°。

焊接方法包括以下步骤：

步骤1，焊接前将TC4钛合金板材接合面预加工成台阶状；

步骤2，对两种金属板材进行清理，去除表面油污及氧化皮；

步骤3，将TC4钛合金板材置于前进侧，6061-T6铝合金置于后退侧，将两板对接，使之形成带钝边J型接头；

步骤4，将带有右旋螺纹槽的搅拌针插入静轴肩内，丝材连接送丝设备；

步骤5，将搅拌针的夹持柄连接搅拌摩擦焊机主轴，调整焊机X轴、Y轴和Z轴坐标，调整搅拌针的左侧边缘与6061-T6板材边缘重合，再调整搅拌针偏移量，往TC4合金侧移动0.3mm(TC4合金压入量为0.3mm)；

步骤6，设置焊接参数(主轴转速、焊接速度、搅拌头倾角、搅拌针旋转方向等，在本实验例中优选的搅拌针转速为700rpm，焊速为50mm/min，搅拌头倾角为2.5°，搅拌针旋转方向为逆时针)，启动搅拌摩擦焊机；

步骤7，此时将丝材放入送丝孔中，启动送丝机，同时启动焊丝预热系统；

步骤8，焊接完成后，停止送丝关闭焊丝预热系统，焊接完成。

实验例3

本实验例利用了基于实施例1和3所述的一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置及工艺。本实验例中，硬度较高板的材料为Q345板材，厚度为3mm，对其进行预加工，切割为台阶状以在对接后形成带钝边J型坡口，钝边高度为1mm，台阶宽度为1mm；硬度较低板的材料为ZK61镁合金，厚度为3mm，不进行预加工；丝材的材料为5356铝合金焊丝，直径为0.2mm；送丝孔的直径为0.3mm，长度为4mm，送丝孔的水平高度距离静轴肩下端面的距离为3mm；搅拌针的材料为H13工具钢，搅拌针的直径为6mm；螺纹槽旋向为右旋；静轴肩的材料为H13工具钢；所采用的工艺参数可为：搅拌针转速为800rpm，焊接速度100mm/min，搅拌头倾角为2°。

焊接方法包括以下步骤：

步骤1，焊接前将Q345钢板接合面预加工成台阶状；

步骤2，对两种金属板材进行清理，去除表面油污及氧化皮；

步骤3，将Q345钢板置于前进侧，ZK61镁合金置于后退侧，将两板对接，使之形成带钝边J型接头；

步骤4，将带有右旋螺纹槽的搅拌针插入静轴肩内，丝材连接送丝设备；

步骤5，将搅拌针的夹持柄连接搅拌摩擦焊机主轴，调整焊机X轴、Y轴和Z轴坐标，调整搅拌针的左侧边缘与ZK61镁合金边缘重合，再调整搅拌针偏移量，往Q345钢板侧移动0.5mm(Q345钢板压入量为0.5mm)；

步骤6，设置焊接参数(主轴转速、焊接速度、搅拌头倾角、搅拌针旋转方向等，在本实验例中优选的搅拌针转速为800rpm，焊速为100mm/min，搅拌头倾角为2.5°，搅拌针旋转方向为逆时针)，启动搅拌摩擦焊机；

步骤7，此时将丝材放入送丝孔中，启动送丝机，同时启动焊丝预热系统；

步骤8，焊接完成后，停止送丝关闭焊丝预热系统，焊接完成。

另外，在一些其他应用实验例中，本实施例的搅拌摩擦焊接装置可用于汽车、高速列车、航空航天等领域。可以理解的是，基于上述的说明，由于静轴肩可设计成任意形状以适应不同的接头形式，且丝材的材料多变该装置及方法可适用于不同材料之间及同种材料的焊接。

Claims (10)

1.一种带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括静轴肩、搅拌针、送丝装置，搅拌针贯穿静轴肩，搅拌针与静轴肩之间为间隙配合，搅拌针上方连接旋转电机，静轴肩在焊接过程中不旋转，静轴肩设有送丝孔，送丝装置将丝材伸入送丝孔，搅拌针下方侧面设有螺纹槽，螺纹槽的起始端高于送丝孔，螺纹槽的终端延伸至搅拌针的底端。

2.根据权利要求1所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，当螺纹槽为右旋时，主轴旋转方向为逆时针；螺纹槽为左旋时，主轴旋转方向为顺时针。

3.根据权利要求1所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，搅拌针与静轴肩之间的间隙宽度为焊丝直径的1.1-1.5倍。

4.根据权利要求1所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，静轴肩下端面设有轴肩凸台，轴肩凸台与静轴肩一体同轴，轴肩凸台直径小于静轴肩，送丝孔设于轴肩凸台上。

5.根据权利要求4所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，送丝孔的数量为至少一个，最多六个，送丝孔均匀轴向分布；

优选的，送丝孔直径为焊丝直径的1.1-1.5倍。

6.根据权利要求1所述的带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，焊接装置还包括热丝电源，焊丝进入送丝孔前先经过热丝电源。

7.一种利用权利要求1-6任意一项权利要求所述带间隙填丝的异种金属搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将硬度较高的待焊板材对接面的上半部分加工L形，硬度较低的待焊板材不加工，使其在两块板完成对接后形成带钝边的J型坡口；

步骤二：焊接时，将搅拌针偏向硬度较低金属一侧，搅拌针只有较少部分处于硬度较高的金属一侧；硬度较高板放置在搅拌针前进侧，硬度较低板应放置在搅拌针后退侧；当搅拌针开始旋转并逐渐下压时，由于带钝边J型坡口的存在，在接头的上半部分搅拌针侧面未与硬度较高的金属接触，因此仅与硬度较低的金属发生摩擦而产热塑化周围金属；当搅拌针继续下压至接头的下半部分时，搅拌针同时与硬度较高金属和硬度较低金属接触，共同摩擦产热并软化金属；

步骤三：在搅拌头下压过程完毕后，将丝材送入送丝孔中，丝材在与其连接的送丝机构的推力作用下穿过送丝孔，其端部与搅拌针的螺纹槽接触，在摩擦和预热作用下发生塑化，热塑化状态的丝材受到搅拌针螺纹槽的切削作用后被破碎并挤入螺纹槽中，在搅拌针旋转作用下，塑性软化的丝材沿着螺纹槽运动，进入焊核区，与搅拌区塑性材料混合；

步骤四：待搅拌针的下压力达到预设值后，搅拌针旋转并前进，静轴肩不随搅拌针一同旋转，形成焊道完成焊接过程。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，步骤一中，坡口为台阶式坡口，台阶宽度为5％-50％板厚，钝边高度为10％-70％板厚。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，步骤二中，当搅拌针下压至J型坡口底部时，部分搅拌针插入较硬合金，压入量为0.1-0.8倍台阶宽度。

10.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，步骤四中，焊接过程中搅拌针向焊接方向的反方向倾斜；

优选的，步骤四中，搅拌针倾斜的倾角为2°～2.5°。