CN1441710A - 同时进行冷却的摩擦搅动焊接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的任务在于提供一种摩擦搅动焊接的方法，通过该方法可以焊接具有对氧高亲合性的合金和/或产生高塑化能量并可很好地控制焊接部位的热量排出。根据本发明该任务被这样解决：冷却液体由一个与销状工具(1)同时运动的冷却环(2)位置限制地喷射在焊接部位的后跟随区域及与销状工具(1)相邻的侧面区域中；及附加地由一个与销状工具同时运动的气体喷嘴(3)从前面对着销状工具(1)及对着由冷却环(2)排出的冷却水吹冷却气体。

Description

同时进行冷却的摩擦搅动焊接方法及装置
本发明涉及权利要求1前序部分的摩擦搅动焊接方法。
在摩擦搅动焊接工艺(FSW-Prozess)中待连接材料的冷却以公知的方式这样地进行：焊接过程完全在水下实施。在该方法中尤其产生一个缺点，即Al/Mg合金由于强的氧亲合性及在冷却水中包含的氧而不能高质量地被焊接。此外在该冷却技术中冷却水在焊接过程中吸收了过多热量，以致不能保证待连接的材料的足够塑化。可能通过例如气孔在焊缝中由于材料传送不充分而存在缺陷，这阻碍了技术上完好无缺的焊缝的形成。
对于Al/Mg合金可进行冷却的摩擦搅动焊接的可能性具有很大的经济意义，尤其在大面积的板材接合方面，如在飞机制造中所遇到的。
公知的方法的另一缺点在于，当未进行冷却处理时会产生较强的扭曲变形，它可能会造成被焊接物体需被再处理。
本发明的任务在于提供一种摩擦搅动焊接的方法，通过该方法可以焊接具有对氧高亲合性的合金和/或可产生高塑化能量并可很好地控制焊接部位的热量排出。
根据本发明该任务将通过权利要求1的特征来解决。本发明的进一步构型给出在从属权利要求中。用于实施该方法的装置给出在权利要求6中。
根据本发明的方案有利地使用一种组合的气体及水的冷却，其中在销状工具上水的输入被限制在销状工具的后跟随区域及侧面区域中，及通过从前面作用的气流阻止了在销状工具前侧-在这里具有敞开的焊接部位-形成可能出现的水膜。
在此，根据本发明的方案不被限制在焊缝的确定位置上及也可应用在水平焊缝的产生。
通过组合的气体及水的冷却及另外通过气体及水流量的相互协调可很好地控制焊接部位的热量排出，因此可合乎目的地调节焊缝中的强度，及减小在热影响区(WEZ)中通常会产生的强度下降(“局部强度下降”)，其方式是对于过程需要热量的地方允许有热量及对于过程而言热量有害的地方排出热量。
根据本发明的冷却方式的另一优点是，摩擦搅动焊接可与在前面运行的激光束、电弧或火焰加热相组合，这在水槽中冷却时是不可能的。
并且对于难变形材料，可实施由根据本发明的冷却摩擦搅动焊接过程及在前面运行的激光束焊接过程组成的组合焊接过程。
以下将借助附图来详细地描述本发明的实施例。
图1示出根据本发明的摩擦搅动焊接的方法，
图2表示用于水冷却的冷却环的仰视图，及
图3概要表示在摩擦搅动焊接中的不同材料区。
在图1所示的摩擦搅动焊接方法中，一个销状工具(Pin-Werkzeug)1由一个同时在进给方向运动的使用水的冷却环及由一个同时在进给方向运动的使用空气的气体喷嘴3来冷却。
销状工具1在绕其纵轴线5-按照转动箭头6-旋转及压力下用其销4摩擦地进入到待焊接的部件7的表面中，及在维持转动的情况下在方向箭头11的方向上沿焊接接头移动。销状工具1的纵轴线5向进给方向的反方向从垂直线向后倾斜一些。
销状工具1的上述运动及纵轴线5的倾斜是公知的摩擦搅动焊接的方法特征。
冷却环2及气体喷嘴3通过可调节的支架刚性地与销状工具1的进给滑板相连接。出于简要表示起见，图1中未示出进给滑板及支架。
在销状工具1的运动跟随区域及相邻的侧面区域中将按照所示的方向箭头8从同时移动的冷却环2中流出冷却水。同时移动的气体喷嘴3按照所示方向箭头9从前面对销状工具1及对从冷却环2中流出的冷却水吹风。
冷却空气的吹入除了由此达到的冷却效果外还起到一个作用，即冷却水不会由于毛细作用进入到向后倾斜的销状工具1与部件7之间的楔形间隙10中及由此支持了作为本发明方案基础的意图，即焊接部位上被摩擦及被加热的材料保持无水。由此可阻止受摩擦的焊接材料被水中的氧腐蚀。
图2表示冷却环2的仰视图，即向着与部件7相配的环表面看的图，在该环表面中设有各个用于排出冷却水的喷嘴12。冷却水通过一个软管13输入到冷却环2。
在该实施例中冷却环2例如不是构造成围绕销状工具1的闭合环，而该冷却环具有向着气体喷嘴3张开的U形构型，由此从前面吹入的冷却空气可以不受冷却环2阻碍地流动到销状工具1上。
水喷嘴12的配置被限制在冷却环的后区域上，这样仅在销状工具的随后区域及侧面区域中将被冷却水湿润。
图3中概要表示的在摩擦搅动焊接中的材料区为热机械变形区(TMZ)14，热影响区(WEZ)15及母体材料区16。在焊缝冷却后在热影响区在焊缝两侧通常留有不希望的强度下降。
在合金AA6013-T4及AA6013-T6的板材上应用根据本发明的方案时，这种强度的降低可被显著地减小。板材的厚度为4mm及销状工具1的转速与进给速度的比为3.5U/mm(圈/毫米)，但需要时可在约1U/mm至约10U/mm的界限中变化。
在根据本发明的摩擦搅动焊接与一个前行激光束加热的组合中-这在传统的水槽中冷却的情况下是不可能实施的，在摩擦搅动焊接时通过摩擦产生的热量由于激光束的加热被更合乎目的地增强及由此焊接部位的加热可被调节得实现最佳焊缝。为此激光束源在进给方向上在销状工具1的前面以一定距离、如约2至3cm与销状工具刚性连接地被设置。
与上面在激光束加热中所述的相同配置可在一种根据本发明的摩擦搅动焊接与一个前行激光束焊接过程的组合中使用，其中取代激光束加热源用一个激光束焊接源与销状工具刚性地连接。在此，借助前行的激光束焊接过程形成第一焊缝，在该焊缝上由随后的摩擦搅动焊接过程形成第二焊缝。
作为上述的使用冷却水及冷却空气的变换，也可使用其它含水的冷却剂及另外一种气体用于根据本发明的设有冷却环2及气体喷嘴3的冷却。对此可考虑所有在焊接技术中公知的冷却液体及保护气体。

Claims (7)

1.使用液体冷却的摩擦搅动焊接方法，其特征在于：冷却液体由一个与销状工具(1)同时运动的冷却环(2)位置限制地喷射在焊接部位的随后跟随区域及与销状工具(1)相邻的侧面区域中；及附加地由一个与销状工具同时运动的气体喷嘴(3)从前面对着销状工具(1)及对着由冷却环(2)排出的冷却液体吹冷却气体。
2.根据权利要求1的摩擦搅动焊接方法，其特征在于：使用水作为冷却液体及使用空气作为冷却气体。
3.根据权利要求1或2的摩擦搅动焊接方法，其特征在于：对于焊接Al/Mg板材，销状工具(1)的转速与进给速度的比值在约1U/mm至约10U/mm的范围中。
4.根据权利要求1至3中一项的摩擦搅动焊接方法，其特征在于：摩擦搅动焊接与在销状工具(1)前面运行的激光束加热相组合。
5.根据权利要求1至3中一项的摩擦搅动焊接方法，其特征在于：摩擦搅动焊接与在销状工具(1)前面运行的激光束焊接过程相组合。
6.用于实施根据权利要求1的具有组合的气体及液体冷却的摩擦搅动焊接方法的装置，其特征在于：同时运动的冷却环(2)围绕着销状工具(1)；及冷却液体由冷却环(2)的多个喷嘴(12)排出，这些喷嘴这样地设置在冷却环(2)上，即冷却液的排出在位置上被限制在销状工具(1)的后跟随区域及相邻的侧面区域中。
7.根据权利要求6的装置，其特征在于：冷却环(2)向前敞开，以使得气体喷嘴(3)无阻碍地将冷却气体从前面吹到销状工具(1)上。
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