一種電阻熱的攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置及其方法

2023-04-24 07:46:26 3

專利名稱：一種電阻熱的攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置及其方法
技術領域：
本發明屬於金屬焊接領域，涉及一種攪拌摩擦焊接不鏽鋼的裝置及方 法，特別涉及一種電阻熱——^Jt拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置及其方法。
背景技術：
不鏽鋼作為現代工業中一種重要材料，具有高強度、耐腐蝕、易加工 等許多優異的特性，被廣泛應用於船舶、車輛、汽車及家電設備等行業。 在不鏽鋼加工工藝中，焊接成為必不可少的加工技術。目前，採用傳統熔 焊工藝焊接不鏽鋼時存在諸多問題例如，奧氏體不鏽鋼易形成方向性強 的柱狀晶，利於雜質偏析而產生凝固裂紋；鐵素體不鏽鋼在高的熱循環作 用下，鐵素體晶粒易於長大，導致接頭脆化；馬氏體不鏽鋼易形成冷裂紋 等。這使得採用傳統的熔焊方法焊接不鏽鋼時難以獲得理想的焊縫，在一 定程度上限制了不鏽鋼的應用。
攪拌摩擦焊接技術是英國焊接研究所於1991年開發的一種新型固相焊 接技術。攪拌摩擦焊接過程中，被焊接材料產生劇烈的塑性變形，可實現 焊接接頭組織細化和均勻化。焊接過程中較低的熱循環作用，減小了組織 粗化傾向，使焊接接頭具有高的強度和韌性。攪拌摩擦焊接技術克服了傳 統熔焊工藝焊接不鏽鋼時出現的問題，為不鏽鋼焊接提供了一條極具發展 潛力的途徑。
但相對鎂合金、鋁合金等低熔點材料而言，由於不鏽鋼具有較高的強 度和硬度，顯著增加了不鏽鋼攪拌摩擦焊接的難度。尤其是不鏽鋼攪拌摩 擦焊接時，攪拌頭承受較大的機械力載、摩擦熱載及嚴重的磨損，因而對 攪拌頭的材料提出了較高的要求。因此，設計開發成本低廉且使用壽命長的攪拌摩擦焊用攪拌頭成為解決不鏽鋼攪拌摩擦焊接的關鍵問題。不鏽鋼
焊接時，溫度高達1000'C以上，在如此高的溫度下能滿足使用要求的材料
往往是難熔金屬合金或結構陶瓷，這些材料的製造和加工難度都較大。目 前，大多採用多晶立方氮化硼和鎢基合金作為攪拌頭材料。鎢基合金韌性
較好，焊接過程中不易發生脆性破壞，但較易發生磨損，且價格昂貴(約4 萬元/Kg)。而多晶立方氮化硼的耐磨性較好，材料成本相對較低，但其韌 性較差，易於脆斷，而且商用的PCBN主要為美國所壟斷。由此可見，目 前設計開發成本低廉，性能優良的攪拌頭尚存在較大難度，導致不鏽鋼的 攪拌摩擦焊接受到較大限制。
綜上所述，要實現不鏽鋼的攪拌摩擦焊接，除了需要對攪拌頭的材料、 形狀及尺寸做改進外，還需要在攪拌摩擦焊接過程中採用輔助加熱工藝。 利用輔助熱源的高溫作用將工件軟化，使得施以較小的工作負荷就能驅動 攪拌頭移動，補償攪拌頭與工件摩擦產熱的不足，增加金屬的塑性流動， 保證不鏽鋼攪拌摩擦焊接的實現。再者，在一定程度上降低對攪拌頭材料 高性能的要求，使得在不鏽鋼攪拌摩擦焊接過程中，使用焊接低熔點材料 所用攪拌頭成為可能，減輕了高性能攪拌頭對不鏽鋼攪拌摩擦焊接的制約 作用。同時，輔助加熱工藝有效減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭的有效焊 接長度，從而延長其使用壽命。從國內外的相關報導可見，輔助熱源的形 式有雷射輔助熱源、等離子輔助熱源、電弧輔助熱源和加熱管輔助熱源。 但這些輔助熱源及其裝置在使用過程中都存在一些問題。例如，雷射作為 輔助熱源，工件表面對其能量的反射較嚴重，熱損失較多；等離子和電弧 輔助熱源的裝置結構複雜，價格昂貴；加熱管的加熱效率低，加熱時間長， 大大降低了攪拌摩擦焊接的效率。

發明內容
針對上述現有技術中不鏽鋼攪拌摩擦焊接輔助加熱技術存在的缺陷或不足，本發明的目的在於，提供一種電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼 的裝置及其方法，利用不鏽鋼材料本身高電阻率的特點，可有效焊接不鏽 鋼材料。
為了實現上述任務，本發明所採用的技術方案是
一種電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置，包括電源、變壓器 和攪拌頭，攪拌頭上有由電機驅動的軸肩和攪拌針；其特徵在於，所述電
源的兩個輸出端通過電纜與變壓器的輸入端相連，變壓器的一個輸出端通 過電纜與墊板連接，所述的墊板用於放置被焊接工件，變壓器的另一個輸 出端通過電纜與電刷連接，所述的電刷與位於攪拌頭上端凹槽內的銅環接觸。
上述電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置用於焊接不鏽鋼的方
法，其特徵在於，包括下列步驟
1) 將兩被焊接工件置於墊板的上表面，對接並壓緊；
2) 把變壓器的電壓降至2V 20V，使電流升高至200A 3000A，形成 低壓大電流；
3) 將攪拌頭上的攪拌針在電機的驅動下慢慢旋入兩被焊接工件之間， 當軸肩接觸兩被焊接工件時，攪拌頭對被焊接工件施加一定的壓力，使攪 拌針和被焊接工件緊密接觸；此時，低壓大電流導通，因被焊接工件自身 存在高的電阻，則電流在被焊接工件處產生較高的熱量，該熱量補償了攪 拌頭與被焊接工件摩擦產熱的不足；同時，攪拌針在開始沿焊縫方向以一 定的速度移動，被焊接工件的焊縫處的材料在摩擦產熱和電阻熱的疊加產 生的高溫作用下，呈現高溫粘塑性狀態，在攪拌針後部形成焊縫，使被悍 接工件焊接在一起。
本發明的電阻熱——攪拌摩擦複合悍接不鏽鋼的裝置，為不鏽鋼的攪 拌摩擦焊接提供了一種有效的焊接平臺，採用本發明的裝置進行不鏽鋼的
5焊接，可有效降低不鏽鋼攪拌摩擦焊接的難度。同時，減少攪拌頭的磨損， 增加攪拌頭的焊接長度，延長攪拌頭的使用壽命，而且該發明的裝置簡單， 易於實現，成本較低。


圖1是本發明的結構示意圖。其中的標號分別表示1、電源，2、電 纜，3、電纜，4、變壓器，5、電纜，6、電纜，7、電刷，8、銅環，9、攪 拌頭，10、軸肩，11、攪拌針，12、被焊接工件(左)，13、被焊接工件(右)， 14、墊板，K。電源輸出端，K2、電源輸出端，K3、變壓器輸入端，K4、 變壓器輸入端，K5、變壓器輸出端，K6、變壓器輸出端。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
具體實施例方式
參見圖1，本發明的電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置，包括 電源l、變壓器4和攪拌頭9，攪拌頭9上有由電機驅動的軸肩IO和攪拌 針11;電源1的兩個輸出端(Ki、 K2)分別與變壓器4的兩個輸入端(K3 、 K4)通過電纜(2、 3)相連，變壓器4的一個輸出端K6通過電纜6與墊板 14連接，墊板14用於放置被焊接工件，另一個輸出端K5通過電纜5與電 刷7連接。電刷7與位於攪拌頭9上端凹槽內的銅環8接觸，以保證電刷7 在攪拌頭9的旋轉移動過程中，與攪拌頭9之間電流的可靠傳輸。
採用上述電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置用於焊接不鏽鋼 的方法，包括下列步驟
將兩被焊接工件置於墊板的上表面，對接並壓緊；電源1經過變壓器4 將電壓降至2V 20V，使電流升高至200A 3000A，形成低壓大電流，變壓 器4的輸出端K5經過電纜5、電刷7、銅環8和攪拌頭9及其攪拌針11 送至被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)的上表面，變壓器的另一 輸出端K6經過電纜6和墊板14送至被焊接工件12 (左)和被焊接工件13(右)的下表面。
攪拌摩擦焊接時，被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)對接並 被壓緊後，攪拌針11在電機的驅動下慢慢旋入被焊接工件12 (左)和被焊 接工件13 (右)之間，當攪拌頭9上的攪拌針11接觸被焊接工件12 (左)、 被焊接工件13 (右)上表面時，攪拌頭9對被焊接工件12 (左)、被焊接 工件13 (右)施加一定的壓力，此時，低壓大電流被導通，因被焊接工件 12 (左)、被焊接工件13 (右)自身存在高的電阻，則電流在被焊接工件 12 (左)、被焊接工件13 (右)上可產生較高的熱量，大大補償了攪拌頭9 與被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)摩擦產熱的不足。同時，攪 拌頭9帶動攪拌針11開始沿焊縫方向以一定的速度移動，焊縫處的材料在 攪拌針ll摩擦產熱和電阻熱的高溫疊加作用下，呈現高溫粘塑性狀態，在 攪拌針ll後部形成焊縫，將被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)焊 接在一起。由於攪拌針11與被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)之 間的相對運動，焊縫處的材料產生的高溫粘塑性狀態在焊縫內部也產生相 對運動，在熱激活作用下，這層呈現高溫粘塑性狀態的材料發生動態再結 晶，使被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)通過相互擴散與再結晶， 從而焊接在一起，待被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)的焊縫全 部完成後，整個焊接過程完成。
以下是發明人給出的具體的實施例，本發明不限於這些實施例。 具體實施例1:
焊接3mm厚的316不鏽鋼，攪拌頭為鎢合金鋼，軸肩直徑為16mm， 攪拌針直徑為5mm，長度為2.9mm。採用本發明的電阻熱——攪拌摩擦復 合焊接工藝，攪拌頭的旋轉速度為950r/min，焊接速度為60mm/min，輔助 電流為IOOOA。焊接長度為150mm，經焊接後的不鏽鋼焊接接頭的抗拉強 度達到母材的86%，攪拌頭磨損較輕。在沒有輔助熱源的條件下，進行攪拌摩擦焊接，無法形成有效連接， 且攪拌頭磨損嚴重。 具體實施例2:
焊接3mm厚的304不鏽鋼，攪拌頭為鎢合金鋼，軸肩直徑為16mm， 攪拌針直徑為5mm，長度為2.9mm。採用本發明的電阻熱——攪拌摩擦復 合焊接不鏽鋼的裝置進行焊接，攪拌頭的旋轉速度為950r/min，焊接速度 為60mm/min,輔助電流為IOOOA，焊接長度為142mm。經焊接後的不鏽 鋼焊接接頭的抗拉強度達到母材的85%，攪拌頭磨損較輕。
在沒有輔助熱源的條件下，進行攪拌摩擦焊接，無法形成有效連接， 且攪拌頭磨損嚴重。
上述實施例可以看出，採用本發明的裝置進行不鏽鋼的焊接，可有效 降低不鏽鋼攪拌摩擦焊接的難度。同時，減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭 的焊接長度，延長攪拌頭的使用壽命。
權利要求
1. 一種電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置，包括電源(1)、變壓器(4)和攪拌頭(9)，攪拌頭(9)上有由電機驅動的軸肩(10)和攪拌針(11)；其特徵在於，所述的電源(1)的兩個輸出端通過電纜與變壓器(4)的輸入端相連，變壓器(4)的一個輸出端通過電纜與墊板(14)連接，所述的墊板(14)用於放置被焊接工件，變壓器(4)的另一個輸出端通過電纜與電刷(7)連接，所述的電刷(7)與位於攪拌頭(9)上端凹槽內的銅環(8)接觸。
2. 權利要求1所述的電阻熱——攪拌摩擦複合焊接裝置用於焊接不鏽鋼的方法，其特徵在於，包括下列步驟-O將兩被焊接工件置於墊板的上表面，對接並壓緊；2) 把變壓器的電壓降至2V 20V，電流升高至200A 3000A，形成低壓大電流；3) 攪拌頭上的攪拌針在電機的驅動下慢慢旋入兩被焊接工件之間，當軸肩接觸兩被焊接工件時，攪拌頭對被焊接工件施加一定的壓力，使攪拌針和被焊接工件緊密接觸；此時，低壓大電流導通，因被焊接工件自身存在的電阻，則電流在被焊接工件處產生較高的熱量，以補償攪拌針與被焊接工件摩擦產熱的不足；同時，攪拌針在開始沿焊縫方向以一定的速度移動，被焊接工件的焊縫處的材料在摩擦產熱和電阻熱的疊加產生的高溫作用下，呈現高溫粘塑性狀態，在攪拌針後部形成焊縫，使被焊接工件焊接在一起。
全文摘要
本發明公開了一種電阻熱——攪拌摩擦複合焊接不鏽鋼的裝置，包括電源、變壓器和攪拌頭，電源的兩個輸出端通過電纜與變壓器的輸入端相連，變壓器的一個輸出端通過電纜與墊板連接，墊板用於放置被焊接工件，變壓器的另一個輸出端通過電纜與電刷連接，電刷與位於攪拌頭上端凹槽內的銅環接觸。採用該裝置焊接時，調整變壓器形成低壓大電流，攪拌針在電機的驅動下旋入兩焊接工件之間，低壓大電流電路導通，在被焊接工件上產生較高的電阻熱，焊縫處的材料在摩擦產熱和電阻熱的高溫作用下發生塑化，在攪拌針後部形成焊縫。能夠實現不鏽鋼的攪拌摩擦焊接，減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭的焊接長度，延長攪拌頭的使用壽命，裝置結構簡單，易於實現，成本較低。
文檔編號B23K20/12GK101474718SQ20081023644
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者文 王, 王快社, 王文禮, 韡 郭 申請人:西安建築科技大學