CN212169326U - 一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件和二号工件，所述一号工件与二号工件并列平铺在工作台表面，相互接触位置形成对接界面，所述搅拌摩擦焊机构包括设置于工作台上方的搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的搅拌头位于待焊接工件的对接界面正上方，所述对接界面底部还设置有铜板电极；该装置还包括滚动电极组件。本实用新型通过设置铜芯电极、铜板电极以及二号电源，对工件的对接界面施加大直流电流，依靠其产生的焦耳热软化工件，同时改善工件的塑性和流动性，达到延长搅拌头寿命，加快焊接速度的目的。

Description

一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置

技术领域

本实用新型属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置。

背景技术

复合搅拌摩擦焊是利用辅助热源为搅拌摩擦焊提供额外热输入，从而提高搅拌摩擦焊的应用范围和适应性。近年来研究人员相继研发了激光、电流、电弧、感应、超声波等外加能量辅助搅拌摩擦焊。其中电流辅助搅拌摩擦焊是利用高强度电流会引起材料软化现象而实用新型的一种外加热能辅助搅拌摩擦焊技术。它是在搅拌摩擦焊传统工艺上加装电流输出装置，高强度电流通过搅拌针和其下端的焊件，电流产生的焦耳热一定程度上软化待焊材料，同时改善材料的电塑性和流动性，达到提高焊接强度和减小焊接应力的目的。

Santos T G等人(Santos T G,Miranda R M,Vilaca P.Friction stir weldingassisted by electrical joule effect[J].Journal of Materials ProcessingTechnology,2014,214(10):2127-21336.)为了消除搅拌摩擦焊的焊根缺陷，引入高强度电流来提升焊根温度，以达到软化材料、提高材料粘塑性的目的，并且构建了分析模型进行对比分析。试验中发现，在通入800A电流时，铝合金的温度将提高200-300℃。在所测试的条件下，未焊透缺陷从未施加辅助电流的15.53μm减少到3.37μm，从而得出电流增加了材料的塑性，抑制未焊透缺陷进而改善了焊缝的力学性能。

电流辅助的引入不仅有助于解决传统搅拌摩擦焊的一些固有缺点，也为异种材料搅拌摩擦焊提供了支持。Liu X等人(Liu X,Lan S,Ni J.Electrically assistedfriction stir welding for joining Al 6061to TRIP 780steel[J].Journal ofMaterials Processing Technology,2015,219:112-1239.)系统研究了6061铝合金和TRIP780钢的电流辅助搅拌摩擦焊。在试验中发现，施加电流后，轴向焊接力明显减小，在转速较低、搅拌头偏移量较小时更为明显。在降低搅拌针插入阶段下压力的同时也促进了搅拌针插入部分的金属间化合物薄膜的形成。其原因可能是电流加速了分子的扩散或降低了化学反应活化能。研究人员也针对焊接横截面进行微观结构分析，施加560A电流后，Al-Fe截面有明显的微互锁现象。这一现象可以明显提高接头性能和焊接的质量。Liu X针对上述试验进行力学性能分析发现，为了提高焊接强度，焊接时钢应该放在前进侧位置，其最高焊接强度达到铝合金强度的85％。施加电流辅助后能够更快地达到焊接温度。

电流辅助搅拌摩擦焊通过外加电流产生焦耳热和改变材料电塑性的方法加快材料软化，但搅拌摩擦焊的焊接对象多为金属，电阻率较低，弱电流下，焦耳效应不明显，需要通入极高强度的电流才能产生效果。高强度的电流也会带来能耗过高的问题，这也阻碍了电流辅助搅拌摩擦焊的大规模推广应用。金属的电阻率较小，合金的电阻率较大，因此电流辅助搅拌摩擦焊更适用于高电阻率合金材料。

另外由于直流电流会对焊接区域有持续的加热作用，从而使晶粒变大，因此会影响到焊缝的性能，已有的研究表明，对焊缝施加脉冲电流有助于细化晶粒，提高焊缝强度。如专利CN 205393809U公开了一种脉冲电流辅助搅拌摩擦焊装置，其通过电流同步施加装置对焊缝施加脉冲电流，能够细化焊缝组织，降低残余应力，提高焊件质量。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件和二号工件，所述一号工件与二号工件并列平铺在工作台表面，相互接触位置形成对接界面，所述搅拌摩擦焊机构包括设置于工作台上方的搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的搅拌头位于待焊接工件的对接界面正上方，所述对接界面底部还设置有铜板电极；该装置还包括滚动电极组件，所述滚动电极组件包括设置于所述工作台上方的调节座，所述调节座的底部设置有滚动电极，所述滚动电极设置于所述搅拌头焊接移动轨迹的后部，且所述滚动电极底部与待焊接工件焊接后形成的焊缝接触，所述滚动电极的顶端与设置于工作台外部的一号电源的一端连接，所述一号电源的另一端与铜板电极的一端连接。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述工作台与铜板电极之间设置有隔热板，所述隔热板与待焊接工件对接界面接触处还设置有放置槽，所述放置槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫，所述弹性绝缘隔热垫的上表面设置有矩形凹槽，所述铜板电极嵌入该矩形凹槽中。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述搅拌头的焊接移动轨迹与待焊接工件的对接界面相互重合，所述搅拌头内部设置有盲孔，所述盲孔内设置有铜芯电极，所述铜芯电极的侧表面包裹有绝缘套，所述铜芯电极的顶端与设置于工作台外部的二号电源一端连接，所述二号电源的另一端与铜板电极的一端连接。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型通过设置铜芯电极、铜板电极以及二号电源，对工件的对接界面施加大直流电流，依靠其产生的焦耳热软化工件，同时改善工件的塑性和流动性，达到延长搅拌头寿命，加快焊接速度的目的；

2)本实用新型通过对焊缝施加大电流脉冲电流，能够细化焊缝组织，降低残余应力，提高焊件质量；

3)本实用新型通过在焊接物底部放置绝缘隔热板，可减小待焊板材厚度方向的温度梯度，使板底部也具有足够的软化效果，从而增加底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使底部待焊接材料也能充分混合，减少底部各种焊接缺陷，提高焊缝质量；

4)本实用新型结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现，特别适用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图中：1、隔热板；2、一号工件；3、二号工件；4、搅拌头；5、调节座；11、弹性绝缘隔热垫；12、铜板电极；13、一号电源；23、对接界面；41、铜芯电极；42、绝缘套；43、二号电源；51、滚动电极。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1所示，一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊机构和滚动电极组件，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件2和二号工件3，所述一号工件2与二号工件3并列平铺在工作台表面，相互接触位置形成对接界面23；所述待焊接工件与工作台之间还设置有隔热板1，通过设置隔热板1可以减小待焊接工件厚度方向的温度梯度，使待焊接工件的底部也具有足够的软化效果，从而增强工件底部区域的材料在焊接时的流动和流动量，使底部材料充分混合，减少工件底部的焊接缺陷，提高焊接质量。

所述隔热板1与待焊接工件对接界面23接触处还设置有放置槽，所述放置槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫11，所述弹性绝缘隔热垫11的上表面设置有矩形凹槽，所述矩形凹槽内设置有与其相互匹配的铜板电极12，所述铜板电极12与待焊接工件对接界面23相互贴合，所述铜板电极12的一端与设置于工作台外部的二号电源43一端连接；所述搅拌摩擦焊机构包括设置于工作台上方的搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的搅拌头4位于待焊接工件的对接界面23正上方，且搅拌头4的焊接移动轨迹与待焊接工件的对接界面23相互重合，所述搅拌头4内部设置有盲孔，所述盲孔内设置有铜芯电极41，所述铜芯电极41的侧表面包裹有绝缘套42，所述铜芯电极41的顶端与所述二号电源43的另一端连接，通过二号电源43、铜芯电极41、铜板电极12和待焊接工件形成通路，电流由搅拌头4末端的搅拌针传送至待焊接工件，依靠大电流产生的焦耳热软化工件，同时改善材料的塑性和流动性，达到延长搅拌头4寿命、加快搅拌焊接速度的目的。

所述滚动电极组件包括设置于所述工作台上方的调节座5，所述调节座5的底部设置有滚动电极51，所述滚动电极51设置于所述搅拌头4焊接移动轨迹的后部，且所述滚动电极51底部与待焊接工件焊接后形成的焊缝接触，所述滚动电极51的顶端与设置于工作台外部的一号电源13的一端连接，所述一号电源13的另一端与铜板电极12的一端连接，通过一号电源13、滚动电极51、待焊接工件以及同伴电极形成通路，并对焊接后形成的焊缝施加大电流的脉冲电流，能够细化焊缝组织，降低残余应力，提高焊接工件的质量。

上述用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤S1：在工作台上依次放置隔热板1、弹性绝缘隔热垫11、铜板电极12、待焊接工件，并将其固定在工作台上，调节搅拌头4和滚动电极51在工作台上的位置；

步骤S2：设置搅拌摩擦焊机构和滚动电极组件的工作参数；

步骤S3：启动电源，对搅拌头4下方的对接界面23进行软化操作，在轴向下压力下搅拌头4旋转，并使搅拌头4沿对接界面23方向相对进给运动，启动滚动电极组件，对焊接后形成的焊缝进行脉冲电流作用，细化焊缝晶粒，最终完成工件的搅拌摩擦焊操作。

需要说明的是，所述步骤S1中待焊接工件为高电阻率的工件，其电阻率大于5×10^-7Ωm，待焊接工件的厚度δ＝2-15mm，滚动电极51设置于搅拌头4焊接移动轨迹的后部，且滚动电极51与搅拌头4之间的距离L＝20-40mm。

所述步骤S2中的搅拌头4的工作参数为：输出直流电流，电流I1＝300-1500A；滚动电极51的脉冲电流为矩形方波，脉冲电流均值I2＝200-1000A，脉冲宽度为η＝50-5000μs，脉冲频率为f＝40-4000Hz。

所述步骤S3中的搅拌头4受到的轴向下压力F＝4000-20000N，搅拌头4旋转方向为顺时针，转速n＝400-1000r·min^-1，焊接速度为v＝8-50mm·min^-1。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件(2)和二号工件(3)，所述一号工件(2)与二号工件(3)并列平铺在工作台表面，相互接触位置形成对接界面(23)，所述搅拌摩擦焊机构包括设置于工作台上方的搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的搅拌头(4)位于待焊接工件的对接界面(23)正上方，其特征在于：所述对接界面(23)底部还设置有铜板电极(12)；该装置还包括滚动电极组件，所述滚动电极组件包括设置于所述工作台上方的调节座(5)，所述调节座(5)的底部设置有滚动电极(51)，所述滚动电极(51)设置于所述搅拌头(4)焊接移动轨迹的后部，且所述滚动电极(51)底部与待焊接工件焊接后形成的焊缝接触，所述滚动电极(51)的顶端与设置于工作台外部的一号电源(13)的一端连接，所述一号电源(13)的另一端与铜板电极(12)的一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述工作台与铜板电极(12)之间设置有隔热板(1)，所述隔热板(1)与待焊接工件对接界面(23)接触处还设置有放置槽，所述放置槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫(11)，所述弹性绝缘隔热垫(11)的上表面设置有矩形凹槽，所述铜板电极(12)嵌入该矩形凹槽中。

3.根据权利要求2所述的一种用于高电阻率合金的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述搅拌头(4)的焊接移动轨迹与待焊接工件的对接界面(23)相互重合，所述搅拌头(4)内部设置有盲孔，所述盲孔内设置有铜芯电极(41)，所述铜芯电极(41)的侧表面包裹有绝缘套(42)，所述铜芯电极(41)的顶端与设置于工作台外部的二号电源(43)一端连接，所述二号电源(43)的另一端与铜板电极(12)的一端连接。

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