一種攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭及其電阻-攪拌摩擦複合焊接方法
2023-04-23 22:02:11
專利名稱：一種攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭及其電阻-攪拌摩擦複合焊接方法
技術領域：
本發明涉及焊接技術領域，特別是一種攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭和電阻攪拌摩擦復 合焊接方法。
背景技術：
1991年英國焊接研究所(TWI)發明了攪拌摩擦焊技術，並在中國取得了專利授權 (ZL95192193.2)，這種來源於機械冷加工製造工藝、基於固相連接的新型焊接技術具有 明顯的優越性，使其成為近二十年內在世界範圍內得到快速發展與廣泛工程應用的焊接技 術之一。攪拌摩擦焊的工業應用主要集中在鋁合金領域，隨著其應用領域、連接對象和材 料的不斷擴展，攪拌摩擦焊技術在低熔點的有色金屬中得到了成功的拓展。現有專利"摩 擦攪拌焊接方法及摩擦頭"(ZL95192193. 2)，其主要技術特徵是用硬的旋轉摩擦頭插入 被焊母材，在摩擦與攪拌作用下完成焊接，該方法是用摩擦產生的熱量使母材塑變接合為 一體。但是，科研人員發現對於像合金鋼、不鏽鋼、鈦合金，甚至高溫合金等工業領域比 較重要的結構材料，攪拌摩擦焊技術的應用並不十分理想，目前只限於實驗室的初步研究 階段。因此，攪拌摩擦焊技術並沒有如早先樂觀估計的那樣在船舶、管道、卡車、鐵路、 交通等領域成為最具吸引力的製造技術而取得眾多的應用成果，英國焊接研究所(TWI) 也認為攪拌摩擦焊接較高熔點金屬材料(如鋼材等)，是目前所面臨的挑戰。
現有專利申請"一種加熱攪拌焊接方法及攪拌頭"(申請號200810063887.3)，其主 要技術特徵是焊前將攪拌頭和母材加熱，當母材被加熱達到塑性溫度時，由攪拌頭輕壓插 入母材並旋轉攪拌，同時向前不斷移動，使工件攪拌摩擦連接成一體。該申請專利焊前需 要給母材開孔，焊後在焊件上會留下孔洞，不涉及攪拌頭的冷卻問題。
在焊接高熔點金屬時，為了增加熱量輸入和焊接效率而增大攪拌頭的下壓力和轉速， 會使攪拌頭溫度急速上升，使攪拌頭高溫強度降低，加劇攪拌頭的磨損，嚴重時會導致攪 拌頭的攪拌針斷裂，焊接質量嚴重下降，並影響攪拌頭的使用壽命；同時也使得所需攪拌 摩擦焊機的裝機容量增大，對裝夾具的要求提高，焊接設備的體積增大，耗能加大，攪拌 摩擦的優勢不再明顯。現有專利申請"導電一攪拌摩擦複合熱源焊接方法及設備"(申請號200710092974. 7)，其主要技術特徵是在攪拌摩擦焊的同時，在焊接區域通以輔助電流， 因而摩擦攪拌焊接區域產生電阻熱，該電阻熱與攪拌摩擦熱同時作用於焊縫，形成攪拌摩 擦焊複合熱源，實現高熔點金屬的導電-攪拌摩擦複合焊接過程。
另外，攪拌頭的工作環境比較惡劣，攪拌頭往往由於磨損而失效需要進行更換， 一體 式的攪拌頭必須整體報廢，加上攪拌頭價格比較昂貴，這樣導致整體製造成本較高；研究 發現，攪拌頭的磨損主要集中在攪拌針，如果只更換攪拌針，將軸肩進行再製造表面處理， 形成一個新的攪拌頭，這樣就可以大大節省成本，提高焊接效率，實現綠色製造和可持續 發展。
同時，即使是在低熔點的有色金屬的攪拌摩擦焊接時，也存在焊接缺陷，工藝要求比 較苛刻，焊接的工藝窗口較窄，攪拌摩擦設備複雜，攪拌摩擦焊接技術的實際應用受到局 限。這就是攪拌摩擦焊接技術發展目前所面臨的重要關鍵問題，亟待解決。
發明內容
針對現有攪拌摩擦技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種集溫度控制、參 數檢測、氣體保護、攪拌針與軸肩單獨可更換、無匙孔焊接系統等多項重要功能於一體的 集成式智能化的攪拌摩擦焊接的攪拌頭，以及一種基於內生電阻熱、帶氣體保護、內部液 體介質強制循環冷卻溫度控制、溫度自動感應檢測、攪拌針和軸肩單獨可更換、無匙孔的 電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，用於高熔點金屬的有效攪拌摩擦焊接過程，以及低熔點金 屬攪拌摩擦焊接技術的完善，是一種高效、低成本、高穩定性、優質的攪拌摩擦焊接的集 成式攪拌頭及其一種新型的攪拌摩擦焊接方法，突破了常規攪拌摩擦焊接技術焊接高熔點 金屬的局限，及其對攪拌頭高昂的材料製備成本、苛刻的焊接工藝條件、較短的使用壽命 的牽制，並通過局部更換攪拌針和軸肩的表面改性處理，延長攪拌頭的使用壽命，解決了 常規攪拌摩擦焊接的攪拌頭成本高、壽命低、焊接高熔點金屬困難的技術問題。
本發明的技術方案如下
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，包括設置於摩擦焊機上的攪拌頭本體和位 於攪拌頭本體下部的攪拌針，攪拌頭本體與焊機夾持絕緣連接，還包括強制冷卻系統，載 流系統，氣體保護系統，溫度傳感檢測系統，密封絕緣系統，內軸肩和攪拌針，是一種帶 氣體保護、內部液體介質強制循環冷卻、溫度自動感應檢測、攪拌針可更換、無匙孔電阻 -攪拌摩擦複合焊的集成式攪拌頭，具體結構是攪拌頭本體由中空結構腔體、內軸肩、 外軸肩和攪拌針組成； 一根出水和入水集成組合式銅管，將液體冷凝介質引入和導出攪拌 頭的內部腔體，使冷凝液在攪拌頭內部空腔體循環流動，能夠到達安裝有攪拌針的底部區域，以實現控制攪拌針及其附近區域溫度的目的；攪拌頭與焊機絕緣，攪拌頭本體外沿有 一個紫銅導電環，通過碳電刷將電流導入攪拌頭，形成電阻-攪拌摩擦複合焊接方式；攪 拌頭的外軸肩外側下端面處設有氣體保護系統，在攪拌摩擦焊接區域形成有效的氣體保 護，防止焊縫及熱影響區金屬被氧化；攪拌頭中空結構腔體內埋植自耦合電容式溫度傳感 器，通過攪拌頭本體上部與無線感應發射器連接，形成攪拌針及其附近區域無源無線電容 式溫度感應與自動檢測；在攪拌頭的腔體上部以及與複合式銅管之間設有動密封構件，達 到密封液態冷凝介質的目的，並且使攪拌頭能夠旋轉；在攪拌頭的腔體下部安裝有攪拌針， 攪拌針與攪拌頭組合在一起，通過拆卸而分離，可以單獨進行攪拌針的更換；在攪拌頭的 中空結構腔體和外軸肩之間是內軸肩，可以上下運動和旋轉，是一個活動的軸肩結構的無 匙孔焊接系統，在焊接結束時將匙孔填滿，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦焊接過程。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，強制冷卻系統中的組合式銅管通過內管的 原位隔離組合集成，內管為出水管，其相比於進水口其孔徑要略小，內管的進水口位於攪 拌頭腔體的上部，而組合式銅管的出水口在攪拌頭腔體的下部，接近攪拌針的位置，這樣 使液態冷凝介質能夠達到並充滿攪拌頭空腔的底部，將攪拌頭最大產熱區域的熱量帶走， 減少攪拌針的磨損，提高攪拌頭的使用壽命，並且能夠控制焊縫溫度，形成合適的溫度分 布，提高電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭的質量。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，載流系統由導電環，碳電刷和絕緣支撐組 件構成，導電環材料為紫銅，通過徑向摩擦焊接工藝，將導電環與攪拌頭的本體連接成一 體，碳電刷材料為添加8_12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成型為銅基複合碳 電刷，絕緣支撐組件將其固定於摩擦焊機上，並與導電環形成良好接觸，通過電纜線由電 源供給能量，最終通過碳電刷和導電環將輔助電流引入攪拌頭，在工件的焊縫結合部位設 置有活動導電塊，並與電源的另外一個電極相連，工件和導電塊與周圍的焊接夾具絕緣， 形成電阻-攪拌摩擦複合焊接方式。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，氣體保護系統圍繞外軸肩的下端面，為噴 嘴結構形狀，內部設置有氣篩，使保護氣體以層流的形式在攪拌頭軸肩的四周噴出，氣體 保護系統通過絕緣支撐板和絕緣支撐組件與摩擦焊機固定，並與碳電刷和攪拌頭本體絕 緣，氣體保護系統的噴嘴為陶瓷材料，兩側通過進氣管供給保護氣體，使攪拌摩擦焊接區 域和焊接熱影響區域的金屬獲得良好保護，防止氧化和夾雜，降低焊縫質量，實現優質焊 接接頭。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，溫度傳感檢測系統是無源無線的高溫傳感測量系統，由溫度傳感器，發射器和接受器構成，溫度傳感器是自耦合電容式溫度感應器， 深埋植於攪拌頭的軸肩端面處，發射器位於攪拌頭本體上部與溫度傳感器連接，通過固定 於摩擦焊機上的接受器接受信號並傳輸給控制計算機，利用計算機實現攪拌針及其附近溫 度的實時無源無線電容式感應溫度檢測，絕緣件將攪拌頭與攪拌摩擦悍機及其主軸絕緣， 工件和導電塊與焊接夾具絕緣，保證電阻-攪拌摩擦複合焊接安全和輔助電流有效迴路的 形成。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，密封系統主要包括動密封構件，動密封構 件為唇型密封結構，是一種接觸型的相對於組合式銅管做旋轉運動的動密封形式，同時具 有絕緣、密封和運動三種特性，保證了在攪拌頭腔體內液態冷凝介質的密封，以及腔體與 複合式銅管之間的密封和相對潤滑，並且使攪拌頭本體能夠做旋轉運動而不受到影響，實 現了對攪拌頭和焊縫的溫度控制。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，內軸肩位於在攪拌頭的中空結構腔體和外 軸肩之間，可以上下運動，並繞軸旋轉，是一個活動軸肩結構的無匙孔焊接系統，在焊接 結束時將匙孔填滿，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦焊接過程；其具體過程是焊接開始的 初期通過內生電阻熱和摩擦熱共同作用複合加熱工件的焊接區域金屬，使其軟化，攪拌針 不斷旋轉插入母材，然後內軸肩在繼續旋轉的同時向上升起一定高度，在攪拌針外側、被 焊工件表面、內軸肩和外軸肩內側面形成一個容積空間，用來存儲被攪拌針攪拌擠出的塑 性變形金屬，當攪拌針達到要求的深度後，攪拌頭整體開始向前運動，在載流、摩擦、軟 化、塑變流動、強制成型的共同作用下，將工件連接成一體；在攪拌摩擦焊接時，該焊接 系統自身的強制冷卻系統對攪拌頭和焊縫進行溫度控制；焊接結束時，攪拌針旋轉升起， 同時內軸肩與攪拌針逆行旋轉下降，將容積空間中存儲的高溫塑變金屬旋壓入攪拌針拔出 而留下的匙孔，完成整個攪拌摩擦焊接過程，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，攪拌針的上部為快速連接頭結構，與攪拌 頭本體的中空結構腔體連接並被防鬆緊固裝置鎖止，使攪拌針與攪拌頭集成組合在一起， 當攪拌針因磨損失效後，可以通過打開緊固裝置拆卸下攪拌針使其與攪拌頭本體分離，這 樣可以很方便地、單獨進行攪拌針的更換；同時，軸肩也可以單獨更換和進行再製造，這 樣節約了成本，提高效率；用來焊接低熔點輕合金的攪拌針基體材料為不鏽鋼材料，表面 進行高耐磨改性處理；用焊接高熔點金屬的攪拌針為陶瓷複合材料；攪拌針為錐形結構或 者圓柱形結構；在攪拌針表面和軸肩端面，採用Ti納米改性的PVD共同沉積MoS2/Ti納 米複合膜；或者，採用真空燒結氮化方法製備以納米TiN改性的Ti(C， N)基金屬陶瓷材料，以Ti(C， N)添加的TiN(nm)為6 15wt%，並採用真空燒結工藝和表面氮化處理；或者， 使用PVD方法共同沉積的類石墨/Cr複合鍍層Graphit-iCTM;或者，使用PVD方法製備的 類金剛石納米複合膜；對攪拌針、內軸肩和外軸肩進行強化處理，以增強攪拌頭關鍵部位 的抗磨損、抗氧化、抗高溫的能力，大幅度提高攪拌頭的使用壽命。
本發明提供的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，用於高熔點金屬及其合金的焊接，碳鋼、 合金鋼、鈦合金、不鏽鋼、高溫合金鋼；用於低熔點金屬及其合金的焊接鋁合金、鎂合 金、銅及其合金；用於常規攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點焊，攪拌摩擦塞焊；用於電阻 -攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點焊，載流攪拌摩擦塞焊；用於劇烈塑性變形製備超 細晶粒或納米晶粒。
本發明提供的基於該攪拌頭的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，是一種基於內生電阻熱、 帶氣體保護、內部液體介質強制循環冷卻溫度控制、溫度自動感應檢測、攪拌針和軸肩單 獨可更換、無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，具體過程是攪拌頭的攪拌針與工件 緊密接觸旋轉並緩慢壓入，在產生攪拌摩擦熱的同時，在載流條件下，輔助電流從攪拌頭 流出，輔助電流經過焊接區域時因接觸電阻最大而在焊接攪拌區域最先產生電阻熱，該電 阻熱與攪拌摩擦熱複合，促使被焊工件溫度快速升高，當焊縫母材軟化塑變時，攪拌針 迅速旋轉插入工件併到達所要求的焊接深度後，攪拌頭整體開始向前運動，與此同時，內 軸肩向上升起一定高度，在攪拌針外側、被焊工件表面、內軸肩和外軸肩內側面形成一個 容積空間，用來存儲被攪拌針攪拌擠出的塑性變形金屬，在攪拌頭的溫度控制系統、氣體 保護系統和參數檢測監控系統的共同作用下，使工件兩側分離的母材因摩擦攪拌、塑變流 動、回復與再結晶、擠壓成型而連接為一體；焊接結束時，攪拌針旋轉升起，同時內軸肩 與攪拌針逆行旋轉並下降，將容積空間中存儲的高溫塑變金屬旋壓入攪拌針拔出而留下的 匙孔，完成整個攪拌摩擦焊接過程，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭，形成良 好的固相焊縫，完成載流攪拌摩擦複合焊接過程，獲得高效、低成本、優質的電阻-攪拌 摩擦複合焊接接頭。
本發明提供的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，輔助電流為普通直流電流產生內生電阻 熱；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為工頻交流電流產生內生電阻熱；或者，電 阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括脈衝頻率、佔空比、 脈衝時間參、脈衝幅值參數的調節與變化；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為變 極性脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括脈衝頻率、佔空比、脈衝時間參、脈衝幅值參數 的調節與變化；
10電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元氣體，以及相互 混合的二元氣體；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為活性氣體包括氮氣、二氧 化碳、氧氣一元氣體，以及與惰性氣體混合的二元或多元氣體；
電阻-攪拌摩擦複合焊的導電塊安裝在待焊接工件的焊縫背面，以焊接運動的方向為 基準，導電塊處於與攪拌針相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪拌摩擦複合焊接，或 者導電塊處於與攪拌針的相對位置的後面，實現熱處理模式電阻-攪拌摩擦複合焊；或者 導電塊處於與攪拌針正下方，實現常規的電阻-攪拌摩擦複合焊接；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的導電塊安裝在工件焊縫側面，以焊接運動的方向為基 準，導電塊處於與攪拌針相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪拌摩擦複合焊接，或者 導電塊處於與攪拌針的相對位置的後面，實現熱處理模式電阻-攪拌摩擦複合焊接；
用於黑色和有色金屬及其合金材質的攪拌摩擦焊接，包括碳鋼，合金鋼，高溫合金， 不鏽鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金；
用於點焊、對接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；
用於表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處 理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表 面堆敷改性處理；
用於劇烈塑性變形製備超細晶粒或納米晶粒，包括髙熔點金屬材料和低熔點金屬材料 的超細晶粒或納米晶粒製備。
本發明提供的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，輔助電流的幅值調節範圍在100A-20KA 之間，輔助電流的頻率調節範圍在0-40KHz之間，與輔助電流參數相配合的攪拌摩擦焊接 工藝條件攪拌頭轉速100-3000rmp，焊接速度0. 2-300cm / min,攪拌摩擦下壓力5-100KN。
本發明提供的該攪拌頭集溫度控制、參數檢測、氣體保護、攪拌針和軸肩單獨可更換、 無匙孔焊接系統等多項重要功能於一體，是一種集成式智能化的新型結構的攪拌頭，使用 成本低、壽命長，通過多種控制手段不使攪拌摩擦焊接區熔化、攪拌頭溫度過高、接頭冷 卻速度太快和焊接區金屬氧化等問題，消除採用常規材料攪拌頭因接頭熱輸入不足、或溫 度過高、或焊縫金屬被氧化、或留下匙孔等原因而無法高效、優質實現高熔點金屬和輕合 金攪拌摩擦焊接過程，是一種綠色製造和可持續發展模式。
本發明提供的採用該攪拌頭、基於內生電阻熱的載流攪拌摩擦複合焊接方法，可以解 決採用常規攪拌摩擦焊在攪拌區或界面處產熱不足與連接困難的問題，獲得組織性能良好 的高熔點攪拌摩擦焊接接頭。在高熔點金屬攪拌摩擦焊接過程中，對摩擦界面導通以輔助
11電流，在攪拌區摩擦或塑變界面處因為接觸電阻較大而形成內生電阻熱，與摩擦熱伴生並 同時加熱接頭，這樣可以使用普通材料的攪拌頭進行高熔點金屬的攪拌摩擦焊接，同時可 明顯提高攪拌頭的使用壽命，極大地降低焊接成本，提高效率，並不需要增加一套焊接系 統(如雷射複合攪拌摩擦焊接技術、電弧複合攪拌摩擦焊接技術那樣)，焊接設備結構沒 有大的改變，滿足接頭處於固相焊接的要求，增強了接頭性能。
本發明開拓了固相焊接工程領域新型攪拌摩擦焊接技術，突破了高熔點金屬攪拌摩擦 焊接高成本和低質量的兩個相互矛盾的限制，實現了高熔點金屬與低熔點金屬攪拌摩擦焊 接高效、優質、低成本的有效協調與合理統一，降低了對攪拌頭材料使用與加工製備、攪 拌摩擦焊接工藝的苛刻要求，採用完善載流摩擦複合焊接技術成功克服了普通攪拌頭和攪 拌摩擦接技術的使用局限，從而在可持續發展、滿足循環經濟需求的先進攪拌摩擦技術工 藝與設備的開發與實際利用方面作出了貢獻。
本發明不僅拓展了載流攪拌摩擦學的工程應用範圍，而且在高熔點金屬攪拌摩擦焯接 技術領域實現突破，同時，在表面工程領域的納米製造新技術中得到實際的應用和體現， 能夠原位複合製備超細晶或納米晶；在機械傳動件及機構、機械設備的製造與利用，關鍵 部件修復，先進材料的製備，資源的循環利用，以及綠色循環製造與裝備、表面工程等領 域具有廣闊的應用價值與發展前景。本發明實現高效、低成本、高質量、高穩定性、多適 用性、多方式綜合易控的攪拌摩擦焊接過程。
總之，本發明通過提供新型攪拌摩擦焊的攪拌頭，並通過該攪拌頭的使用，提供基於 內生電阻熱的載流攪拌摩擦複合焊接的先進方法，利用載流攪拌摩擦的綜合作用，消除採 用常規攪拌摩擦焊接技術的一系列難題，克服了高熔點金屬攪拌摩擦焊接的難題，以及低 熔點金屬攪拌摩擦焊接的苛刻工藝要求，提高了焊接接頭的質量，延長了攪拌頭的使用壽 命，實現了低成本、高效、優質高熔點金屬和低熔點輕合金的攪拌摩擦焊接，並在表面工 程領域開拓納米製造、超細晶製造的新應用範圍，拓展了載流摩擦學的工程應用領域。
圖1是本發明攪拌摩擦焊的攪拌頭和電阻-攪拌摩擦複合焊接方法的示意圖； 圖2是本發明攪拌頭的唇型動密封的結構示意圖中，1.攪拌頭本體；2.腔體；3.內軸肩；4,外軸肩；5.攪拌針；6.組合式銅管； 7.導電環；8.碳電刷；9.氣體保護裝置；10.溫度傳感器；11.溫度無線感應發射器；12. 動密封構件；13.內管；14.進水口； 15.絕緣支撐組件；16.電纜線；17.電源；18.工 件；19.導電塊；20.噴嘴；21.氣篩；22.絕緣件支撐板；23.進氣管；24.容積空間。
具體實施例方式
本發明主要包含一種攪拌摩檫焊的集成式攪拌頭和電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，以 及在載流摩擦學工程、表面工程與納米製造工程技術中的應用。 下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。 一. 一種攪拌摩擦焊的攪拌頭
本發明的攪拌頭是一種集溫度控制、參數檢測、氣體保護、攪拌針與軸肩單獨可更換、 無匙孔焊接系統等多項重要功能於一體的集成式智能化的攪拌摩擦焊接的攪拌頭。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，包括設置於摩擦焊機上的攪拌頭本體1和 位於攪拌頭本體1下部的攪拌針5，攪拌頭本體1與焊機夾持絕緣連接，還包括強制冷卻 系統，載流系統，氣體保護系統，溫度傳感檢測系統，密封絕緣系統，內軸肩和攪拌針， 是一種帶氣體保護、內部液體介質強制循環冷卻、溫度自動感應檢測、攪拌針可更換、無 匙孔電阻-攪拌摩擦複合焊的集成式攪拌頭，具體結構是攪拌頭本體1由中空結構腔體2、 內軸肩3、外軸肩4和攪拌針5組成； 一根出水和入水集成組合式銅管6，將液體冷凝介 質引入和導出攪拌頭1的內部腔體2，使冷凝液在攪拌頭內部空腔體循環流動，能夠到達 安裝有攪拌針5的底部區域，以實現控制攪拌針5及其附近區域溫度的目的；攪拌頭l與 焊機絕緣，攪拌頭本體1外沿有一個紫銅導電環7，通過碳電刷8將電流導入攪拌頭1， 形成電阻-攪拌摩擦複合焊接方式;攪拌頭1的外軸肩4外側下端面處設有氣體保護系統9， 在攪拌摩擦焊接區域形成有效的氣體保護，防止焊縫及熱影響區金屬被氧化；攪拌頭中空 結構腔體2內埋植自耦合電容式溫度傳感器10，通過攪拌頭本體1上部與無線感應發射器 ll連接，形成攪拌針及其附近區域無源無線電容式溫度感應與自動檢測；在攪拌頭l的腔 體2上部以及與複合式銅管6之間設有動密封構件12，達到密封液態冷凝介質的目的，並 且使攪拌頭1能夠旋轉；在攪拌頭1的腔體2下部安裝有攪拌針5，攪拌針5與攪袢頭1 組合在一起，通過拆卸而分離，可以單獨進行攪拌針5的更換；在攪拌頭l的中空結構腔 體2和外軸肩4之間是內軸肩3，可以上下運動和旋轉，是一個活動的軸肩結構的無匙孔 焊接系統，在焊接結束時將匙孔填滿，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦焊接過程。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，強制冷卻系統中的組合式銅管6通過內管 13的原位隔離組合集成，內管13為出水管，其相比於進水口 14其孔徑要略小，內管13 的進水口位於攪拌頭1腔體2的上部，而組合式銅管6的出水口在攪拌頭1腔體2的下部， 接近攪拌針5的位置，這樣使液態冷凝介質能夠達到並充滿攪拌頭空腔的底部，將攪拌頭 1最大產熱區域的熱量帶走，減少攪拌針5的磨損，提高攪拌頭1的使用壽命，並且能夠控制焊縫溫度，形成合適的溫度分布，提高電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭的質量。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，載流系統由導電環7，碳電刷8和絕緣支 撐組件15構成，導電環7材料為紫銅，通過徑向摩擦焊接工藝，將導電環7與攪拌頭1 的本體連接成一體，碳電刷材料為添加8-12%石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成 型為銅基複合碳電刷8，絕緣支撐組件15將其固定於摩擦焊機上，並與導電環7形成良好 接觸，通過電纜線16由電源17供給能量，最終通過碳電刷8和導電環7將輔助電流引入 攪拌頭，在工件18的焊縫結合部位設置有活動導電塊19，並與電源17的另外一個電極相 連，工件18和導電塊19與周圍的焊接夾具絕緣，形成電阻-攪拌摩擦複合焊接方式。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，氣體保護系統9圍繞外軸肩4的下端面， 為噴嘴20結構形狀，內部設置有氣篩21，使保護氣體以層流的形式在攪拌頭軸肩的四周 噴出，氣體保護系統9通過絕緣支撐板22和絕緣支撐組件15與摩擦焊機固定，並與碳電 刷8和攪拌頭本體1絕緣，氣體保護系統9的噴嘴20為陶瓷材料，兩側通過進氣管23供 給保護氣體，使攪拌摩擦焊接區域和焊接熱影響區域的金屬獲得良好保護，防止氧化和夾 雜，降低焊縫質量，實現優質焊接接頭。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，溫度傳感檢測系統是無源無線的高溫傳感 測量系統，由溫度傳感器IO，發射器ll和接受器構成，溫度傳感器10是自耦合電容式溫 度感應器，深埋植於攪拌頭的軸肩端面處，發射器11位於攪拌頭本體上部與溫度傳感器 IO連接，通過固定於摩擦焊機上的接受器接受信號並傳輸給控制計算機，利用計算機實現 攪拌針5及其附近溫度的實時無源無線電容式感應溫度檢測，絕緣件將攪拌頭1與攪拌摩 擦焊機及其主軸絕緣，工件18和導電塊19與焊接夾具絕緣，保證電阻-攪拌摩擦複合焊接 安全和輔助電流有效迴路的形成。
如圖1和圖2所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，密封系統主要包括動密封構件12, 動密封構件12為唇型密封結構，是一種接觸型的相對於組合式銅管3做旋轉運動的動密 封形式，同時具有絕緣、密封和運動三種特性，保證了在攪拌頭1腔體2內液態冷凝介質 的密封，以及腔體2與複合式銅管3之間的密封和相對潤滑，並且使攪拌頭本體l能夠做 旋轉運動而不受到影響，實現了對攪拌頭1和焊縫的溫度控制。圖2為唇型密封結構的原 理示意圖。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，內軸肩3位於在攪拌頭1的中空結構腔體 2和外軸肩4之間，可以上下運動，並繞軸旋轉，是一個活動軸肩結構的無匙孔焊接系統， 在焊接結束時將匙孔填滿，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦焊接過程；其具體過程是焊接開工件18的焊接區域金屬，使其軟化， 攪拌針5不斷旋轉插入母材，然後內軸肩3在繼續旋轉的同時向上升起一定高度，在攪拌 針5外側、被焊工件18表面、內軸肩3和外軸肩4內側面形成一個容積空間24，用來存 儲被攪拌針5攪拌擠出的塑性變形金屬，當攪拌針5達到要求的深度後，攪拌頭l整體開 始向前運動，在載流、摩擦、軟化、塑變流動、強制成型的共同作用下，將工件18連接 成一體；在攪拌摩擦焊接時，該焊接系統自身的強制冷卻系統對攪拌頭l和焊縫進行溫度 控制；焊接結束時，攪拌針5旋轉升起，同時內軸肩3與攪拌針5逆行旋轉下降，將容積 空間24中存儲的高溫塑變金屬旋壓入攪拌針5拔出而留下的匙孔，完成整個攪拌摩擦焊 接過程，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭。
如圖1所示，攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，攪拌針5的上部為快速連接頭結構，與攪 拌頭本體1的中空結構腔體2連接並被防鬆緊固裝置鎖止，使攪拌針5與攪拌頭1組合在 一起，當攪拌針5因磨損失效後，可以通過打開緊固裝置拆卸下攪拌針5使其與攪拌頭本 體1分離，這樣可以很方便地、單獨進行攪拌針5的更換，節約成本，提高效率；用來焊 接低熔點輕合金的攪拌針5基體材料為不鏽鋼材料，表面進行高耐磨改性處理；用焊接高 熔點金屬的攪拌針5為陶瓷複合材料；攪拌針5為錐形結構或者圓柱形結構；
在攪拌針表面和軸肩端面，採用Ti納米改性的PVD共同沉積MoS2/Ti納米複合膜；
或者，採用真空燒結氮化方法製備以納米TiN改性的Ti(C， N)基金屬陶瓷材料，以 Ti(C， N)添加的TiN(nm)為6 15wt%，並採用真空燒結工藝和表面氮化處理；
或者，使用PVD方法共同沉積的類石墨/Cr複合鍍層Graphit-iCTM;
或者，使用PVD方法製備的類金剛石納米複合膜；
對攪拌針5、內軸肩4和外軸肩3進行強化處理，以增強攪拌頭關鍵部位的抗磨損、 抗氧化、抗高溫的能力，大幅度提高攪拌頭的使用壽命。 如圖1所示挽拌摩擦焊的集成式攪拌頭，
用於高熔點金屬及其合金的焊接，碳鋼、合金鋼、鈦合金、不鏽鋼、高溫合金鋼； 用於低熔點金屬及其合金的焊接鋁合金、鎂合金、銅及其合金； 用於常規攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點焊，攪拌摩擦塞焊； 用於電阻-攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點焊，載流攪拌摩擦塞焊； 用於劇烈塑性變形製備超細晶粒或納米晶粒。
二. 一種電阻-攪拌摩擦複合焊接方法本發明的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，是一種基於內生電阻熱、帶氣體保護、內部液 體介質強制循環冷卻溫度控制、溫度自動感應檢測、攪拌針單獨可更換、無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接新方法，採用本發明的攪拌頭實現優質、低成本、高效的電阻-攪拌摩擦 複合焊接。
如圖1所示，攪拌頭1的攪拌針5與工件18緊密接觸旋轉並緩慢壓入，在產生攪拌 摩擦熱的同時，在載流條件下，輔助電流從攪拌頭l流出，輔助電流經過焊接區域時因接 觸電阻最大而在焊接攪拌區域最先產生電阻熱，該電阻熱與攪拌摩擦熱複合，促使被焊工 件18溫度快速升高，當焊縫母材軟化塑變時，攪拌針迅速旋轉插入工件併到達所要求的 焊接深度後，攪拌頭l整體開始向前運動，與此同時，內軸肩3向上升起一定高度，在攪 拌針5外側、被焊工件18表面、內軸肩3和外軸肩4內側面形成一個容積空間24，用來 存儲被攪拌針5攪拌擠出的塑性變形金屬，在攪拌頭1的溫度控制系統、氣體保護系統和 參數檢測監控系統的共同作用下，使工件18兩側分離的母材因摩擦攪拌、塑變流動、回 復與再結晶、擠壓成型而連接為一體；焊接結束時，攪拌針5旋轉升起，同時內軸肩3與 攪拌針5逆行旋轉並下降，將容積空間24中存儲的高溫塑變金屬旋壓入攪拌針5拔出而 留下的匙孔，完成整個攪拌摩擦焊接過程，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭，形 成良好的固相焊縫，完成載流攪拌摩擦複合焊接過程，獲得高效、低成本、優質的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭。
如圖1所示，本發明的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法及其集成式攪拌頭，電阻-攪拌摩 擦複合焊的輔助電流為普通直流電流產生內生電阻熱；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為工頻交流電流產生內生電阻熱；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括脈衝頻 率、佔空比、脈衝時間參、脈衝幅值參數的調節與變化；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為變極性脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括 脈衝頻率、佔空比、脈衝時間參、脈衝幅值參數的調節與變化；
電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元氣體，以及相互混 合的二元氣體；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為活性氣體包括氮氣、二氧化碳、氧氣一元 氣體，以及與惰性氣體混合的二元或多元氣體；
電阻-攪拌摩擦複合悍的導電塊19安裝在待焊接工件18的焊縫背面，以焊接運動的方 向為基準，導電塊19處於與攪拌針5相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪拌摩擦複合焊接，或者導電塊19處於與攪拌針5的相對位置的後面，實現熱處理模式電阻-攪拌摩擦 複合焊；或者導電塊19處於與攪拌針5正下方，實現常規的電阻-攪拌摩擦複合焊接；
或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的導電塊19安裝在工件18焊縫側面，以焊接運動的方向 為基準，導電塊19處於與攪拌針5相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪拌摩擦複合焊 接，或者導電塊19處於與攪拌針5的相對位置的後面，實現熱處理模式電阻-攪拌摩擦復 合焊接。
本發明的攪拌摩擦焊接方法及其集成式攪拌頭，在以下方面的用途 用於高熔點金屬及其合金的焊接，碳鋼、合金鋼、鈦合金、不鏽鋼、高溫合金鋼； 用於低熔點金屬及其合金的焊接鋁合金、鎂合金、銅及其合金； 用於常規攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點焊，攪拌摩擦塞焊； 用於電阻-攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點焊，載流攪拌摩擦塞焯； 用於點焊、對接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；
用於表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處 理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表 面堆敷改性處理；
用於劇烈塑性變形製備超細晶粒或納米晶粒，包括髙熔點金屬材料和低熔點金屬材料 的超細晶粒或納米晶粒製備。
下面簡述一下本發明的基本原理和特點
採用基於內生電阻熱的攪拌摩擦複合焊接新方法的基本原理是在攪拌摩擦焊接過程 中，通過攪拌頭對摩擦界面導通以輔助電流時(可為直流、交流或者脈衝等形式)，(1) 首先，軟化焊縫金屬使其易於塑變，形成軟化塑變流動通道，有利於攪拌頭壓入等初始焊 接過程；(2)其次，在攪拌摩擦區或塑變界面因為攪拌摩擦造成局部不均勻性，利用在攪 拌區或界面或洋蔥環間接觸電阻最大的原理而形成內生電阻熱，與攪拌摩擦熱伴生並同時 輸入焊縫，這樣可以使用普通材料的攪拌頭進行高熔點金屬攪拌摩擦焊接；(3)同時，因 為在輔助電流密度作用下，促使焊縫金屬軟化與塑變流動狀態的快速形成，可明顯提高攪 拌頭的使用壽命，極大地降低了攪拌頭成本，提高了焊接效率；(4)最後，因為輔助內生 電阻熱的輸入，拓寬了攪拌摩擦焊接工藝區間和範圍，在相同設備功率和裝機容量下有利 於更厚板輕金屬攪拌摩擦焊接，改善輕金屬焊接缺陷。
採用基於內生電阻熱的攪拌摩擦複合焊接新方法有如下優點(1)對低熔點金屬攪拌
17摩擦界面導通輔助電流，在界面或攪拌區形成內生電阻熱，與摩擦熱複合共同作用，提高 焊縫成形質量，拓展攪拌摩擦焊接工藝窗口，增加厚板攪拌摩擦焊適應性；(2)在高熔點 金屬攪拌摩擦焊接過程中，可以解決採用常規攪拌摩擦焊接在焊接區或界面處產熱不足與 連接困難的問題，降低對攪拌頭材料和製造工藝的要求，減少攪拌頭成本，提高攪拌頭使 用壽命，實現低成本的優質連接；(3)從攪拌頭導入輔助電流，並不需要增加一套複雜的 焊接系統(如雷射)，焊接設備結構簡單、沒有大的改變；內生的電阻熱與摩擦熱同時產 生與輸入，滿足接頭仍然處於固相焊接的要求，獲得無缺陷、無弱結合面的優質接頭，保 持了攪拌摩擦焊接技術優勢。本發明對與攪拌摩擦在我國航空航天、國防、軍事等領域拓 展應用具有重要意義。
三.具體實施例
下述實施例是按照本發明提供的攪拌頭和攪拌摩擦焊接方法來實施的，但並不意味著 是對本發明保護範圍的限制。
例l:採用本攪拌頭，載流攪拌摩擦焊接3.2111111厚的034511鋼，焊接工藝參數如下 採用數字式電弧焊接直流電源提供輔助電流，輔助直流電流為400-800A，攪拌頭轉數 800-2000rmp，焊接速度60-200mm / min，氬氣保護10-30L / min，下壓力為30-50kN。
確定焊接規範的原則是應該綜合考慮焊接結構的形式、性狀、尺寸，並與焊接工藝 參數的進行合理匹配，根據實際焊接對象和材料對焊接的主要工藝參數開展優化工作，同 時考慮外加電源導電的熱量輸入對焊接過程的影響，對摩擦熱和電阻熱進行系統合理有效 的分配和組合，這樣能夠保證獲得優質的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭。
權利要求
1.一種攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，包括設置於摩擦焊機上的攪拌頭本體(1)和位於攪拌頭本體(1)下部的攪拌針(5)，攪拌頭本體(1)與焊機夾持絕緣連接，其特徵在於，還包括載流系統，所述載流系統包括導電環(7)，碳電刷(8)和絕緣支撐組件(15)，攪拌頭本體(1)外沿設置一個導電環(7)，導電環(7)材料為紫銅，通過徑向摩擦焊接工藝，將導電環(7)與攪拌頭(1)的本體連接成一體，碳電刷材料為添加8-12％石墨銅基材料，經粉末冶金燒結壓制加工成型為銅基複合碳電刷(8)，還設置有固定於摩擦焊機上的絕緣支撐組件(15)，碳電刷(8)與導電環(7)形成良好的電接觸，並通過電纜線(16)與電源(17)連接，並通過碳電刷(8)和導電環(7)將輔助電流引入攪拌頭(1)，在工件(18)的焊縫結合部位設置有活動導電塊(19)，並與電源(17)的另外一個電極相連，工件(18)和導電塊(19)與周圍的焊接夾具絕緣，形成電阻-攪拌摩擦複合焊接方式。
2. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於還包括強制冷卻 系統，所述強制冷卻系統包括設置於攪拌頭本體(1)內部的一個中空結構的腔體(2)， 和一根出水和入水集成組合式銅管(6),所述組合式銅管(6)用於將液體冷凝介質引入 和導出攪拌頭(1)的內部腔體(2)，所述組合式銅管(6)通過內管(13)的原位隔離組 合集成，內管(13)為出水管，其相比於進水口 (14)其孔徑要略小，內管(13)的進水 口位於攪拌頭(1)腔體(2)的上部，而組合式銅管(6)的出水口在攪拌頭(1)腔體(2) 的下部，接近攪拌針(5)的位置，使冷凝介質在攪拌頭內部空腔體循環流動，實現攪拌 頭(1)及焊縫的溫度控制。
3. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於，還包括無匙孔系 統，所述無匙孔系統包括設置於攪拌頭本體(1)的內軸肩(3)和外軸肩(4)，所述內軸 肩(3)位於在攪拌頭(1)的中空結構腔體(2)和外軸肩(4)之間，可以上下運動，並 繞軸旋轉，內軸肩(3)在向上升起後，在攪拌針(5)外側、被焊工件(18)表面、內軸 肩(3)和外軸肩(4)內側面形成一個容積空間(24)，用來存儲被攪拌針(5)攪拌擠出 的塑性變形金屬，在焊接結束時內軸肩(3)下降擠出存儲的金屬將匙孔填滿，是一個活 動結構的無匙孔焊接系統，實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦焊接過程。
4. 根據權利要求1所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於還包括可更換的 攪拌針系統，所述可更換的攪拌針系統包括設置於在攪拌頭(1)的腔體(2)下部的攪拌針(5)，所述攪拌針(5)的上部為快速連接頭結構，與攪拌頭本體(1)的中空結構腔體 (2)連接並被防鬆緊固裝置鎖止，使攪拌針(5)與攪拌頭(1)組合在一起，當攪拌針 (5)因磨損失效後，可以通過打開緊固裝置拆卸下攪拌針(5)使其與攪拌頭本體(1)分離，實現攪拌針(5)的單獨更換；用來焊接低熔點輕合金的所述攪拌針(5)為不鏽鋼材料，表面進行高耐磨改性處理;用來焊接高熔點金屬的所述攪拌針(5)為陶瓷複合材料；所述攪拌針(5)為錐形結構或者圓柱形結構；在攪拌針(5)表面、內軸肩(3)和外軸肩(4)端面，採用Ti納米改性的MoS2/Ti 納米複合膜，或者，採用以納米TiN改性的Ti(C， N)基金屬陶瓷材料，以Ti(C， N)添加的TiN(nm) 為6~15wt%,或者，採用類石墨/Cr複合鍍層Graphit-iCTM， 或者，使用類金剛石納米複合膜，對攪拌針(5)、內軸肩(3)和外軸肩(4)進行強化處理，以增強攪拌頭關鍵部位的 抗磨損、抗氧化、抗高溫的能力，大幅度提高攪拌頭的使用壽命。
5. 根據權利要求1或2或3或4所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於還 包括氣體保護系統(9)，所述氣體保護系統(9)設置於攪拌頭(1)的外軸肩(4)外側 下端面處，氣體保護系統(9)圍繞外軸肩(4)設置有噴嘴(20)，內部設置有氣篩(21)， 使保護氣體以層流的形式在攪拌頭軸肩(4)四周噴出，氣體保護系統(9)通過絕緣支撐 板(22)和絕緣支撐組件(15)與摩擦焊機固定，並與碳電刷(8)和攪拌頭本體(1)絕 緣，氣體保護系統(9)的噴嘴(20)為陶瓷材料，通過設置於兩側的進氣管(23)供給 保護氣體，在攪拌摩擦焊接區域形成有效的氣體保護，防止焊縫及熱影響區金屬被氧化。
6. 根據權利要求1或2或3或4所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於還 設置有溫度傳感檢測系統，所述溫度傳感檢測系統是無源無線的高溫傳感測量系統，由溫 度傳感器(10)，發射器(11)和接受器構成，溫度傳感器(10)是自耦合電容式溫度感 應器，深埋植於攪拌頭的外軸肩(4)端面處，發射器(11)位於攪拌頭本體(1)上部與 溫度傳感器(10)連接，可通過固定於摩擦焊機上的接受器接受信號並傳輸給控制計算機， 並利用計算機實現攪拌針(5)及其附近溫度的實時無源無線電容式感應溫度檢測。
7. 根據權利要求1或2或3或4所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於還 設置有密封系統，所述密封系統主要包括動密封構件(12)，動密封構件(12)設置於攪拌頭本體(1)內部腔體(2)的上部與複合式銅管(3)之間，動密封構件(12)為唇型 密封結構，是一種接觸型的相對於組合式銅管(3)做旋轉運動的動密封形式，同時具有 絕緣、密封和運動三種特性。
8. 根據權利要求1或2或3或4所述的攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭，其特徵在於 還設置有絕緣系統，所述絕緣系統包括設置於攪拌頭(1)與焊接夾具之間的絕緣件，將 攪拌頭(1)與攪拌摩擦焊機及其主軸絕緣，還包括設置於攪拌頭本體(1)與動密封構件(12)之間的絕緣件，以及設置於工件(18)和導電塊(19)與焊接平臺夾持之間的絕緣 件，保證電阻-攪拌摩擦複合焊接安全和輔助電流有效迴路的形成，實現電阻-攪拌摩擦復 合焊接方式。
9. 一種電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，其特徵在於，使用了具有上述結構形式的集成 式攪拌頭，基於內生電阻熱、帶氣體保護、內部液體介質強制循環冷卻溫度控制、溫度自 動感應檢測、攪拌針單獨可更換、無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，具體過程是攪 拌頭(1)的攪拌針(5)與工件(18)緊密接觸旋轉並緩慢壓入，在產生攪拌摩擦熱的同 時，在載流條件下，輔助電流從攪拌頭(1)流出，輔助電流經過焊接區域時因接觸電阻 最大而在焊接攪拌區域最先產生電阻熱，該電阻熱與攪拌摩擦熱複合，促使被焊工件(18) 溫度快速升高，當焊縫母材軟化塑變時，攪拌針迅速旋轉插入工件併到達所要求的焊接 深度後，攪拌頭(1)整體開始向前運動，與此同時，內軸肩(3)向上升起一定高度，在 攪拌針(5)外側、被焊工件(18)表面、內軸肩(3)和外軸肩(4)內側面形成一個容 積空間(24)，用來存儲被攪拌針(5)攪拌擠出的塑性變形金屬，在攪拌頭(1)的溫度 控制系統、氣體保護系統和參數檢測監控系統的共同作用下，使工件(18)兩側分離的母 材因摩擦攪拌、塑變流動、回復與再結晶、擠壓成型而連接為一體；焊接結束時，攪拌針(5)旋轉升起，同時內軸肩(3)與攪拌針(5)逆行旋轉並下降，將容積空間(24)中 存儲的高溫塑變金屬旋壓入攪拌針(5)拔出而留下的匙孔，完成整個攪拌摩擦煌接過程， 實現無匙孔的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭，形成良好的固相焊縫，完成載流攪拌摩擦複合 焊接過程，獲得高效、低成本、優質的電阻-攪拌摩擦複合焊接接頭。
10. 根據權利要求9所述的電阻-攪拌摩擦複合焊接方法，其特徵在於 電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為普通直流電流產生內生電阻熱； 或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為工頻交流電流產生內生電阻熱；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括脈衝頻 率、佔空比、脈衝時間參、脈衝幅值參數的調節與變化；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的輔助電流為變極性脈衝直流電流產生內生電阻熱，包括 脈衝頻率、佔空比、脈衝時間參、脈衝幅值參數的調節與變化；電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為惰性氣體包括氬氣、氦氣一元氣體，以及相互混 合的二元氣體；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的保護氣體為活性氣體包括氮氣、二氧化碳、氧氣一元 氣體，以及與惰性氣體混合的二元或多元氣體；電阻-攪拌摩擦複合焊的導電塊(19)安裝在待焊接工件(18)的焊縫背面，以焊接運 動的方向為基準，導電塊(19)處於與攪拌針(5)相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪拌摩擦複合焊接，或者導電塊(19)處於與攪拌針(5)的相對位置的後面，實現熱處 理模式電阻-攪拌摩擦複合焊；或者導電塊(19)處於與攪拌針(5)正下方，實現常規的 電阻-攪拌摩擦複合焊接；或者，電阻-攪拌摩擦複合焊的導電塊(19)安裝在工件(18)焊縫側面，以焊接運動 的方向為基準，導電塊(19)處於與攪拌針(5)相對位置的前面，實現預熱模式電阻-攪 拌摩擦複合焊接，或者導電塊(19)處於與攪拌針(5)的相對位置的後面，實現熱處理 模式電阻-攪拌摩擦複合焊接；用於黑色和有色金屬及其合金材質的攪拌摩擦焊接，包括碳鋼，合金鋼，高溫合金， 不鏽鋼，銅及其合金，鋁及其合金，鎂及其合金，鈦及其合金；用於常規攪拌摩擦焊接包括攪拌摩擦點焊，攪拌摩擦塞焊；用於電阻-攪拌摩擦焊接包括載流攪拌摩擦點焊，載流攪拌摩擦塞焊；用於點焊、對接、搭接、角接、全位置的多種焊接接頭形式；用於表面改性處理，包括單一材料的單層表面堆敷改性處理，或多層表面堆敷改性處 理，或多種材料的單層表面堆敷改性處理、多層表面堆敷改性處理，或梯度材料的多層表 面堆敷改性處理；用於劇烈塑性變形製備超細晶粒或納米晶粒，包括髙熔點金屬材料和低熔點金屬材料 的超細晶粒或納米晶粒製備。
全文摘要
本發明公開了一種攪拌摩擦焊的集成式攪拌頭和電阻攪拌摩擦複合焊接方法；所述攪拌頭，包括設置於摩擦焊機上的攪拌頭本體和位於攪拌頭本體下部的攪拌針，攪拌頭本體與焊機夾持絕緣連接，還包括強制冷卻系統，載流系統，氣體保護系統，溫度傳感檢測系統，密封絕緣系統，內軸肩和攪拌針，是一種帶氣體保護、內部液體介質強制循環冷卻、溫度自動感應檢測、攪拌針可更換、無匙孔電阻-攪拌摩擦複合焊的集成式攪拌頭。本發明克服了高熔點金屬攪拌摩擦焊接的難題和低熔點金屬攪拌摩擦焊接的苛刻工藝要求，提高了焊接接頭的質量，延長了攪拌頭的使用壽命，實現了低成本、高效、優質高熔點金屬和低熔點輕合金的攪拌摩擦焊接。
文檔編號B23K11/00GK101537538SQ20091010368
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月24日 優先權日2009年4月24日
發明者穎 王, 鍵 羅 申請人:重慶大學