一種熱源輔助複合式雙軸無針動態攪拌摩擦焊接方法與流程

2023-11-06 02:44:52

本發明屬於攪拌摩擦焊接與成形技術領域，具體涉及一種熱源輔助複合式雙軸無針動態攪拌摩擦焊接方法。

背景技術：

攪拌摩擦焊(fsw)是一項固相焊接技術，最初用於低熔點金屬(如鋁合金和鎂合金等)的連接，由於在fsw過程中沒有材料的熔化，所以該技術可避免傳統熔化焊中常見的裂紋、氣孔和變形等問題，並且對操作和設備要求較低。雖然對攪拌摩擦焊技術的研究已越來越深入，但該技術仍存在不足之處。

攪拌摩擦焊接主要通過攪拌頭對工件的攪拌，依靠摩擦生熱使工件接縫周圍的金屬被加熱到塑性狀態實現工件的連接，焊接過程需要通過攪拌頭施加較大的壓緊力和攪拌頭向前運動的力。因此，在攪拌摩擦焊特殊的高溫環境下，焊接熔點較高的金屬材料時，攪拌頭磨損較為嚴重且設備一般比較笨重和複雜。另外，焊接熔點高、厚度大的材料時，焊接速度往往較低。焊接時，待焊工件需要剛性固定，對設備裝夾要求較高，焊縫的背面需要加墊板進行剛性支撐，焊後獲得的焊縫末端會形成匙孔缺陷。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種熱源輔助複合式雙軸無針動態攪拌摩擦焊接方法，可以使焊接作用力減小，減輕攪拌頭的磨損，極大的延長攪拌頭的壽命；簡化焊接設備和夾具安裝要求，實現大厚度工件的攪拌摩擦焊接，提高焊接速率，減少焊接缺陷，避免焊後形成匙孔，提高焊接接頭的強度。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：

一種熱源輔助複合式雙軸無針動態攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟：

1)待焊工件的裝夾：將第一待焊工件1和第二待焊工件2通過負極動態夾持頭3、正極動態夾持頭4、第一導向預緊輪5和第二導向預緊輪6裝夾固定在焊接工作檯上，使第一待焊工件1和第二待焊工件2隻能隨焊接工作檯沿接縫方向移動；第一待焊工件1和第二待焊工件2之間為無間隙對接，第一導向預緊輪5和第二導向預緊輪6需要進行絕緣處理；

2)待焊工件的預熱：正極動態夾持頭4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、負極動態夾持頭3通過導線11和直流開關電源10連接形成閉合電流迴路，直流開關電源10上電，電流流過待焊工件內部產生電阻熱，使第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫處的金屬材料軟化，直流開關電源10提供500～3000a的電流，電壓為3～20v；

3)攪拌摩擦焊接：高速旋轉的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側，壓入深度為0.1～1mm，使接縫處的金屬組織在軸肩a和葉片狀刀刃c的攪拌摩擦作用下達到塑化狀態，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的轉速為500～2000轉/分鐘；同時，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8上連接的超聲波激振器9打開，沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向對接縫處塑化的金屬進行微鍛處理，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細化；第一待焊工件1和第二待焊工件2隨焊接工作檯沿著接縫的方向向前進給運動，進給速度為20～300mm/min，塑化的金屬在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的攪拌及擠壓作用下，不斷填充到攪拌頭移動後所形成的空腔中，並逐漸冷卻凝固形成最終焊縫1-2，從而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的攪拌摩擦焊接。

所述的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8採用無攪拌針式攪拌頭，由軸肩a、夾持區b和葉片狀刀刃c組成，其中軸肩a的端面為平面型，葉片狀刀刃c之間的間隙為凹面型，葉片狀刀刃c的端面與軸肩a的端面平齊，夾持區b或者攪拌頭夾具需要進行絕緣處理，葉片狀刀刃結構c促使塑化的金屬組織沿攪拌頭旋轉的方向從前往後運動，葉片狀刀刃結構c與軸肩a之間的內凹槽包攏塑化的金屬並對焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。

所述的負極動態夾持頭3和正極動態夾持頭4由夾持座和滾珠組成，夾持座和滾珠採用導電材料製作而成，夾持座外殼需進行絕緣處理。

本發明具有以下優點：

1.與傳統攪拌摩擦焊接技術相比，本發明利用直流開關電源10提供電阻熱源輔助攪拌摩擦焊接，接縫處接觸面及鄰近區域產生的電阻熱使接縫處的金屬材料軟化，電阻熱在攪拌摩擦焊接過程中可以細化焊核區的晶粒組織，提高焊接接頭的質量和強度；電阻熱使焊接作用力減小，減輕攪拌頭的磨損，極大的延長了攪拌頭的壽命；簡化焊接設備和夾具安裝要求，實現大厚度工件的攪拌摩擦焊接，提高焊接速率，減少焊接缺陷，提高焊接接頭的強度。

2.採用無攪拌針式攪拌頭，焊後形成的焊縫不會存在匙孔缺陷，避免了傳統攪拌頭的攪拌針易磨損情況的發生。葉片狀刀刃c可以促使塑化的金屬組織沿攪拌頭旋轉的方向從前往後運動，軸肩a的內凹槽可以包攏塑化的金屬並對焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。

3.採用動態夾持的裝夾方式，提高攪拌摩擦焊接設備的靈活性，擴充焊接設備的焊接能力，實現工件的流水化焊接。

4.採用超聲波激振器9沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向對接縫處塑化的金屬進行微鍛處理，焊縫處的金屬內部組織產生高頻振動，材料活性增強，降低攪拌摩擦焊接過程中金屬材料塑性變形時的屈服應力和流變應力，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細化，儘可能減小以致避免焊縫處熱機影響區和熱影響區的形成，從而使所形成最終焊縫1-2的金屬組織形態達到近似完全形成焊核的程度。

附圖說明

圖1是本發明方法的流程圖。

圖2是本發明方法的原理示意圖。

圖3是第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的結構圖，圖(a)是主視圖，圖(b)是俯視圖。

圖4是焊接加工所得工件的剖面圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做詳細描述。

參照圖1、圖2、圖3和圖4，一種熱源輔助複合式雙軸無針動態攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟：

1)待焊工件的裝夾：將第一待焊工件1和第二待焊工件2通過負極動態夾持頭3、正極動態夾持頭4、第一導向預緊輪5和第二導向預緊輪6裝夾固定在焊接工作檯上，負極動態夾持頭3和正極動態夾持頭4限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向上的自由度，第一導向預緊輪5和第二導向預緊輪6限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在水平b-b方向上的自由度，使第一待焊工件1和第二待焊工件2隻能隨焊接工作檯沿接縫方向移動；第一待焊工件1和第二待焊工件2之間為無間隙對接，負極動態夾持頭3和正極動態夾持頭4由夾持座和滾珠組成，夾持座和滾珠採用導電材料製作而成，夾持座外殼需進行絕緣處理，主要用來對工件進行動態夾持和作為電阻熱源的電極；第一導向預緊輪5和第二導向預緊輪6需要進行絕緣處理，防止設備發生漏電危險；裝夾之前，需要對第一待焊工件1和第二待焊工件2的接合面進行清潔處理，去除油汙即可，不需要去除氧化膜；

2)待焊工件的預熱：正極動態夾持頭4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、負極動態夾持頭3通過導線11和直流開關電源10連接形成閉合電流迴路，直流開關電源10上電，電流方向如圖2中導線11上的箭頭標註方向所示；電流流過待焊工件內部產生電阻熱，高速旋轉的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側後，通過第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的軸肩對接縫處施加正壓力，利用電流通過第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫處接觸面及鄰近區域產生的電阻熱使接縫處的金屬材料軟化；電阻熱在攪拌摩擦焊接過程中可以細化焊核區的晶粒組織，提高焊接接頭的質量和強度；直流開關電源10提供500～2000a的電流，電壓為3～20v；

3)攪拌摩擦焊接：高速旋轉的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側，壓入深度為0.1～1mm，使接縫處軟化的金屬組織在軸肩a和葉片狀刀刃c的攪拌摩擦作用下達到塑化狀態，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的轉速為500～2000轉/分鐘；同時，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8上連接的超聲波激振器9打開，沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向對接縫處塑化的金屬進行微鍛處理，焊縫處的金屬內部組織產生高頻振動，材料活性增強，降低攪拌摩擦焊接過程中金屬材料塑性變形時的屈服應力和流變應力，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細化；然後，第一待焊工件1和第二待焊工件2隨焊接工作檯沿著接縫的方向向前進給運動，進給速度為20～300mm/min，塑化的金屬在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的攪拌及擠壓作用下，不斷填充到攪拌頭移動後所形成的空腔中，並逐漸冷卻凝固形成最終焊縫1-2，從而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的攪拌摩擦焊接。

參照圖3，所述的第一攪拌頭7的和第二攪拌頭8採用無攪拌針式攪拌頭，由軸肩a、夾持部分b和葉片狀刀刃結構c組成，採用工具鋼製成，其中軸肩a的端面為平面型，葉片狀刀刃結構c之間的間隙為凹面型，葉片狀刀刃結構c的端面與軸肩a的端面平齊，夾持部分b或者攪拌頭夾具需要做絕緣處理，防止設備發生漏電危險；葉片狀刀刃結構c可以促使塑化的金屬組織沿攪拌頭旋轉的方向從前往後運動，葉片狀刀刃結構c與軸肩a之間的內凹槽可以包攏塑化的金屬並對焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。