CN1836820A

CN1836820A - 超声搅拌焊接方法及其装置

Info

Publication number: CN1836820A
Application number: CN 200610004059
Authority: CN
Inventors: 贺地求; 梁建章
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: CN100368139C

Abstract

一种金属的焊接方法和装置，将轴向振动或扭振的超声振动引入搅拌摩擦焊接过程，用高频机械振动能量驱动高速转动中的搅拌摩擦焊头作高频振动，搅拌头将振动能传给焊接区塑性金属，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织实现金属的焊接。设计的旋转夹具内有一超声换能器，以它自身节面凸缘为支点，支撑于夹具体内，驱动搅棒或整个搅拌头作超声振动，超声电能由绝缘套、铜环和碳刷组件组成的集电环向旋转的换能器传送。超声振动的引入降低金属流动阻力和流体压力的沿程损失，提高流动速度，提高了焊缝质量，也可有效解决厚板焊接困难。

Description

超声搅拌焊接方法及其装置

[技术领域]本发明涉及一种金属的焊接方法和装置。

[背景技术]搅拌摩擦焊是目前一种新型金属低温固相连接技术，适用于难以用熔化焊接的铝合金等低熔点合金，具有焊接变形小和焊接强度高等优点，在航天航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域得到了广泛应用。这一焊接方法是通过搅拌头与焊件间的剧烈机械摩擦作用，产生的热将局部金属加热到塑性状态，在搅拌头的搅拌挤压作用下，金属从搅拌头前方向后方流动，形成焊缝组织。但因加热金属所需的热主要来源于焊件上表面与搅拌头台肩之间的摩擦，搅棒在焊缝中搅动所产生的热只占其中的一小部分，焊接时在焊接区形成上高下低“漏斗状”的温度场，表层温度高，深层低，随着深度的增加，温度急剧下降，而且高温区域急剧缩小，焊缝底层因未充分加热到形成优良焊缝所需的塑性状态，而难以焊合或形成疏松组织，或以上层组织过热为代价，来提高下层温度，而一些以热处理方法强化的合金对焊接温度和焊接加热时间，有严格限制。总之，难以获得上下均匀的焊缝组织，对厚板焊接尤为突出。而在航天航空、船舶、高速列车、军工等领域，厚板焊接非常普遍，特别是轻质装甲战车的车体和炮塔等工程构件，因此，找到克服搅拌摩擦焊上述问题的新焊接方法具有重要意义。

[发明内容]本发明利用超声波在金属塑性流动与变形过程中，具有高强穿透和定点聚焦的性能，能显著降低金属流变抗力，提高金属流动性的效应，将高频机械振动能导入搅拌摩擦焊过程中，驱动高速转动中的搅拌摩擦焊头(简称搅拌头)作高频振动，搅拌头将振动能传给焊接区塑性金属，获得高频振动能的金属以不同于常规搅拌摩擦焊的方式流动，其流动方式为沿返回侧“小步快跑式”推进，在搅棒后方以“高频浪涌式”生成焊缝组织，搅棒后侧金属焊合压力表现为脉动变化，其峰值远大于常规搅拌摩擦焊，具有振动夯实效应。

为实现上述焊接方法，本发明设计了一个夹具体、超声换能器、变幅杆、与之振型匹配的搅棒，超声电源通过以绝缘套、铜环和碳刷组件构成集电环，向超声换能器供电，变幅杆用来驱动旋转的搅棒同时作超声振动。台肩由锥形套内孔定心，并由止动螺钉固定于锥形套下端，台肩中心的孔与搅棒外圆构成动配合，侧向支撑搅棒，卸除变幅杆所受的弯曲载荷。焊接装置的工作过程如下：在钻入与正常焊接过程中，夹具体、绝缘套、铜环、换能器、变幅杆、锥形套、台肩和搅棒一同高速旋转，碳刷固定于箱体上，与高速旋转的铜环外圆始终保持接触和电导通状态，绝缘套、铜环和碳刷组件形成一完整集电环，超声电能经碳刷和铜环传导给旋转中的换能器，换能器将超声电能转换为超声机械能，经变幅杆驱动旋转的搅棒同时作超声振动，从而实现超声搅拌焊接。超声振动的引入能降低金属流动阻力和流体压力的沿程损失，提高流动速度，提高了焊缝质量，也可解决厚板焊接困难。

下面结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

[附图说明]

图1搅棒振动式的工作原理图；

图2搅棒台肩一体振动式的工作原理图；

图3、搅棒振动式超声搅拌焊装置；

图4、搅棒台肩一体振动式超声搅拌焊装置。

[实施方式]

如图1所示，超声换能器1将超声电能转换成超声机械振动波，经变幅杆2，带动搅棒3作超声波振动，超声换能器1、幅杆2、搅棒3同时与台肩4同步高速旋转，一同钻入焊件5与焊件6的接缝，并与焊件保持一定压力，周围金属在搅棒和台肩与焊件间的高速旋转摩擦作用下，受热软化，并在超声振动的作用下，从搅棒前方流向后方并焊合。超声振动可以是轴向往复式，或扭转振动，可以是搅棒振动式，或搅棒台肩一体振动式，图2所示为搅棒台肩一体式的工作原理图，其中件7为台肩搅棒一体式搅拌头，变幅杆与件7直接联结，其余与图1相同。

图3为本发明的搅棒振动式超声搅拌焊装置，它由夹具体8、平键9、螺钉10、绝缘套11、碳刷组件12、铜环13、换能器1、变幅杆2、螺钉14、锥形套15、止动螺钉16、搅棒3、台肩4、止动销17、螺钉18和压盖19组成。

各部分装配关系如下：夹具体8上柄部，与搅拌主轴定位孔配合，并由平键9和螺钉10与搅拌主轴联结；夹具体外圆装绝缘套11，由压盖19和螺钉18与夹具体固定，绝缘套11外圆固定两个铜环13，工作时，铜环随夹具体8旋转，碳刷组件12固定于主轴箱上不动，碳刷组件上的两个碳块电极分别与两铜环保持接触；在夹具体内设有换能器1(两者不接触)，其两个电极经内部导线分别与两铜环导通(图中未标出导线)，换能器1紧密联结在变幅杆2上，变幅杆由位于其节点处(振幅为零处)的凸缘，定位于夹具体中心，由止动销17与锥形套15周向联结，并由锥形套轴向压紧，锥形套由其上部止口与夹具体定心，由螺钉14与夹具体固联；变幅杆下端与搅棒螺纹紧密联结，换能器产生的超声机械能，以变幅杆节点凸缘为支点，驱动搅棒作超声振动，使焊缝金属产生超声效应；台肩4由锥形套内孔定心，并由止动螺钉16固定于锥形套15下端，台肩中心的孔与搅棒3外圆构成动配合，侧向支撑搅棒，卸除变幅杆所受的弯曲载荷，并容许搅棒作超声振动，台肩与搅棒无宏观相对运动，两者合在一起构成超声搅拌焊头，除搅棒作微幅超声振动外，其余与常规搅拌摩擦焊无异。

本发明所涉及超声搅拌焊装置还可采用搅棒台肩一体振动方式，如图4所示，与上不同的是搅棒台肩一体式搅拌头7直接与变幅杆2联结，整体作高速旋转和超声振动，取消了止动螺钉16，锥形套15内孔与搅拌头外圆构成动配合，起侧向支撑搅拌头，卸除变幅杆所受的弯曲载荷作用，其余不变。

Claims

1、一种金属的焊接方法，其特征在于：将轴向振动或扭振的超声振动引入搅拌摩擦焊接过程，用高频机械振动能量驱动高速转动中的搅棒或整个搅拌头作高频振动，搅棒或搅拌头将振动能传给焊接区塑性金属，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织，实现金属的焊接。

2、一种用于实现权利要求1所述方法的金属焊接装置，包括台肩和搅棒，其特征在于：设计的旋转夹具内有一超声换能器，超声换能器以其节面凸缘为支点，支撑于夹具体内，驱动搅棒或整个搅拌头作超声振动，超声电能由绝缘套、铜环和碳刷组件组成的集电环向旋转的换能器传送。

3.根据权利要求2所述的金属焊接装置，其特征在于：台肩由锥形套内孔定心，并由止动螺钉固定于锥形套下端，台肩中心的孔与搅棒外圆构成动配合，侧向支撑搅棒，卸除变幅杆所受的弯曲载荷。

4、根据权利要求2所述的金属焊接装置，其特征在于：搅棒直接与变幅杆联结，或搅拌头整体与变幅杆联结，并在变幅杆传动下作超声振动。