一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置與流程

本發明涉及焊接領域，特別是涉及一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置。

背景技術：

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡稱fsw)是英國焊接研究所(theweldinginstitute)于1991年發明的一種固相焊焊接技術。與傳統熔焊相比，攪拌摩擦焊接具有接頭缺陷少、質量高、變形小，以及焊接過程綠色、無污染等顯著優點，在航空、航天、船舶、核工業、兵器工業、交通運輸等工業制造領域具有廣闊的應用前景。攪拌摩擦焊是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源，由一個柱狀或者帶有螺紋等其他形狀的攪拌針伸入工件的待焊部位，通過攪拌針的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦產熱，進而使連接部位的材料升溫達到高溫塑性狀態。在焊接過程中，旋轉攪拌頭(主要為軸肩)與工件表面摩擦產熱，使攪拌頭前進側的材料發生強塑性變形，隨著攪拌頭的移動，高溫塑性變形的材料產生塑性流動，流向攪拌頭后方空腔，在軸間壓力下形成完整焊縫。

攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，主要用于焊接低熔點的材料，比如鋁合金、鎂合金等。它的出現使鋁合金等有色金屬的連接發生重大變革，使用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的工程應用。在工業化生產應用中，對低熔點合金材料攪拌摩擦焊工藝的研究，已經很成熟。但對于鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點材料的攪拌摩擦焊接技術研究仍有很多問題亟待解決，主要問題在于攪拌頭高溫強度的限制，使得攪拌頭壽命低、焊接成本很高。

因此，為了進一步發展攪拌摩擦焊接工藝在鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點材料中的應用，采取有效措施提高攪拌頭的使用壽命，是降低焊接成本的有效途徑之一。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接裝置，該焊接裝置通過附加熱源對工件加熱，熔化冷卻至半固態或超塑性狀態，或者直接加熱工件待焊部位達到半固態或超塑性狀態，然后對半固態和超塑性狀態的高熔點材料進行攪拌摩擦焊接，可在很大程度上降低高熔點材料的流變抗力，降低攪拌頭承受的焊接力矩、減輕攪拌頭磨損，進而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。

具體方案如下：

一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接裝置，包括：

用于焊接的攪拌頭，攪拌頭旋轉插入工件對接或搭接焊縫中且攪拌頭可移動；

用于向工件提供熱量在工件表面形成附加熱源加熱區域的附加熱源部件，附加熱源部件設于攪拌頭的前方，且距離攪拌頭設定距離，附加熱源部件與工件上表面的夾角為α，30°≤α≤90°；

氣體保護裝置，氣體保護裝置位于附加熱源加熱區域側上方和/或攪拌頭前方，用于對焊接區域通入保護氣體。附加熱源部件與攪拌頭存在設定距離，能夠使高熔點材料的工件熔化，然后冷卻至半固態或超塑性狀態或者直接加熱至半固態或超塑性狀態。

上述裝置中所述附加熱源輸出裝置通過剛性連接件與所述的攪拌頭連接，連接件可以是鋼性連接桿，保持設定角度但是同步移動，通過附加熱源輔助加熱待焊工件，使待焊區域達到半固態或者超塑性狀態或者直接加熱至半固態或超塑性狀態，可在很大程度上降低高熔點材料的流變抗力，降低攪拌頭承受的焊接力矩、減輕攪拌頭磨損，進而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。

所述保護氣體為氮氣或氬氣或氦氣或二氧化碳或氫氣或氬氣與氦氣的混合氣或二氧化碳氣體與氬氣的混合氣、或二氧化碳氣體與氦氣的混合氣或氫氣與氬氣的混合氣。

所述氣體保護裝置包括氣體保護噴嘴，氣體保護噴嘴軸向與工件上表面的夾角為β，0°≤β≤90°。

所述攪拌頭沿焊接方向，偏離豎直方向的角度為0°～15°，所述攪拌頭的軸肩直徑為1mm～100mm，攪拌頭底部設置攪拌針。

所述附加熱源部件提供的附加熱源是激光和/或電弧和/或等離子弧和/或感應加熱熱源。

所述附加熱源輸出裝置通過剛性連接件與所述的攪拌頭夾持機構連接，實現攪拌頭與附加熱源部件運動同步。

本發明的工作原理是：半固態是指金屬凝固過程中控制固液態溫度區間，得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合漿料(固相組分甚至可達60％)，這種半固態金屬漿料具有很好的流動性、很低的變形抗力。超塑性是指材料在一定的內部條件和外部條件下，呈現出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現象，實現超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應變速率。對于鋼而言，在對其進行加熱或者冷卻的過程中，液相線和固相線之間存在較大的溫度差，其中，共析鋼大約在100℃，而過共析鋼與亞共析鋼大約在100℃上下，在此溫度區間，可以使材料達到半固態，而在相變點附近加工，也可以實現超塑性。因此，在鋼鐵等高熔點材料攪拌摩擦焊工藝過程中，通過附加熱源輔助加熱待焊工件，使待焊區域達到半固態或者超塑性狀態，降低攪拌頭承受的焊接力矩、減輕攪拌頭磨損，進而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。

本發明還提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法，該方法采用上述的焊接裝置，待焊區域達到半固態或者超塑性狀態，可在很大程度上降低鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點高強材料的流變抗力，減輕攪拌頭的摩損、降低焊接成本。

該方案如下：一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法，采用所述的一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接裝置。

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法，該方法給出了具體如何進行焊接，以提高攪拌針的使用壽命。

一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法，具體步驟如下：

1)附加熱源部件設在在攪拌頭前方、工件上表面，其移動速度與焊接速度一致，附加熱源部件與工件上表面的夾角為α，30°≤α≤90°，在附加熱源部件加熱區域上方和/或攪拌頭前方設置可通保護氣體的氣體保護裝置；

2)焊接開始前，通過附加熱源部件對工件進行加熱至熔化狀態，然后冷卻至半固態或超塑性狀態，或者直接加熱工件待焊部位達到半固態或超塑性狀態；

3)焊接過程中，附加熱源部件與攪拌頭的攪拌針移動方向始終為焊接方向，附加熱源加熱工件到半固態或超塑性狀態，攪拌頭以設定的焊接速度沿附加熱源前進方向在半固態或超塑性狀態區域施焊。

4)氣體保護裝置在附加熱源加熱區域上方和/或攪拌頭前方，通有保護氣體對焊接區域進行保護。

當對同種材料的工件進行焊接時，附加熱源加熱區域在工件上表面位置為焊縫中心，也是攪拌頭施焊中心。

當對異種材料的工件進行焊接時，所述附加熱源加熱區域在工件上表面位置偏向高熔點材料一側，偏距根據異種材料熔點差值確定，附加熱源加熱區域中心與攪拌頭中心在焊接方向上可以不在同一條直線上為避免焊接過程中，達到高溫塑性狀態的材料溢出，沿焊接方向，附加熱源加熱位置應與板材工件兩端保持一定的間距；焊接過程在常溫下進行，為降低實驗難度，保護氣的送進時間可持續整個焊接過程。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)本發明通過將附加熱源在攪拌頭前側加熱，相比于激光通過攪拌工具中空內腔加熱攪拌針底部、改善加熱不足的問題，本裝置為分體式，不僅結構簡單，附加熱源輸出裝置易于裝夾；本方法在原理上也不相同，由附加熱源對工件先進行輔助加熱至半固態或超塑性狀態，再進行焊接，有助于減小攪拌針承受的焊接力矩、提高攪拌針的使用壽命。

2)本發明通過限定附加熱源與工件上表面的角度，可以實現快速加熱，可有效保證焊接質量。

3)本發明通過附加熱源輔助加熱待焊工件，相比于在攪拌頭軸肩和攪拌針表面熔敷耐磨涂層，提高攪拌頭耐磨性，再進行焊接，本發明的方法充分發揮附加熱源的加熱作用，使待焊區域達到半固態或者超塑性狀態，可在很大程度上降低高熔點材料的流變抗力，降低攪拌頭承受的焊接力矩，減輕攪拌頭磨損，進而提高攪拌針壽命，降低焊接成本。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1為本發明一種結構示意圖；

圖2為本發明另一種結構示意圖；

圖中所示：1、攪拌頭，2、附加熱源部件，3、氣體保護管，4、工件，v1為焊接速度。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種激附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1和圖2所示，提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接裝置，該裝置包括用于焊接的攪拌頭，攪拌頭旋轉插入工件對接或搭接焊縫中且攪拌頭可沿著焊縫方向移動；附加熱源部件2位于攪拌頭前方設定距離并加熱母材，附加熱源部件2與攪拌頭存在設定距離，并且附加熱源部件2與攪拌頭保持一致的焊接速度，附加熱源部件2軸線與工件上表面的夾角為α，10°≤α≤90°；附加熱源可以是激光、電弧、等離子弧、感應加熱熱源，激光類型為光纖激光、蝶形激光、nd:yag激光、co2激光、半導體激光等；氣體保護裝置3，氣體保護裝置包括氣體保護管3，該保護管3設于在附加熱源加熱區域上方(圖1)以及攪拌頭1前方(圖2)，通有保護氣體對焊接區域進行保護，氣體保護管與附加熱源部件2同軸或置于附加熱源部件2的后側。

其中，所述保護氣體為氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳、氫氣或者氬氣與氦氣的混合氣、二氧化碳氣體與氬氣的混合氣、二氧化碳氣體與氦氣的混合氣、氫氣與氬氣的混合氣，對于厚度較大或者熱傳導率較高的板材工件，優先選擇氦氣作為保護氣，相比于氬氣，氦氣原子質量較小，噴嘴噴出后易流失，渦流傾向大，價格較高，可采用氦氣和氬氣的混合氣。

所述氣體保護管3的底部設置噴嘴，噴嘴軸向與工件上表面的夾角為β，0°≤β≤90°，噴嘴對準激光輻照區域側上方及攪拌頭周圍。

所述攪拌頭1沿焊接方向，偏離豎直方向的角度為0°～15°，所述攪拌頭1的軸肩直徑為1mm～100mm，攪拌頭1底部設置攪拌針。

所述攪拌頭1的移動速度即焊接速度v1與焊縫長度s、附加熱源功率p的關系式為：

其中，δh為工件摩爾融化熱，n為激光輻照工件單位摩爾量，δt為工件液固相線溫差，v2為工件冷卻速率。

由上式可知，通過焊接速度v1、附加熱源功率p與焊縫的長度s三者之間的關系，設定任意兩項，便可得到剩余項對應的數值，其中板材的冷卻速率v2以及板材摩爾熔化熱δh可根據相關資料查詢或者測試得到，而板材固液相溫差δt以及激光照射板材單位摩爾量n可通過估算得到。

本實施例還提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法，具體步驟如下：

1)用砂紙去除板材工件待焊部位的氧化膜，并用無水乙醇清洗；用壓板、螺栓將待焊板材固定在卡具底座上，保證焊接過程中板材的穩定性；

2)附加熱源部件2位于攪拌頭1前方一定距離，附加熱源部件2軸線與工件4上表面的夾角為α，0°≤α≤90°，在附加熱源加熱區域上方和/或攪拌頭1前方，設置可通保護氣體的氣體保護裝置；

附加熱源部件2位于氣體保護裝置前方，附加熱源部件在工件上表面的加熱位置與攪拌針中心的間距根據待焊材料熔點、厚度、激光功率和焊接速度來確定；

焊接速度、固液線溫差以及位移間隔應略低于理論值，附加熱源部件2功率應高于理論值，從而增大攪拌頭在板材達到半固態或者超塑性狀態下進行施焊的可能性；

通過確定附加熱源部件2在工件上表面的加熱位置和焊接速度，設定附加熱源部件2的加熱時間，避免待焊部位材料未達到高溫塑性狀態(未及時開啟)和夾持裝置可能被破壞(未及時關閉)的問題；

3)焊接開始前，通過附加熱源部件2對工件4進行加熱，直至工件待焊部位達到半固態或超塑性狀態；

4)焊接過程中，附加熱源部件2與攪拌頭1的攪拌針移動方向始終為焊接方向，附加熱源部件2加熱工件到半固態或超塑性狀態，攪拌頭1以設定的焊接速度沿附加熱源部件2前進方向施焊，在攪拌頭1前方和附加熱源部件2加熱區域側上方均通過氣體保護裝置送進保護氣體。

實施例1

附加熱源為激光：待焊材料為厚度3mm的45號鋼板對接，沿著焊接方向依次為攪拌頭、氣體保護裝置、激光束輸出聚焦鏡頭，氣體保護噴嘴與軸肩邊緣間隔為10mm，沿水平方向的夾角為45°，保護氣為氬氣。攪拌頭沿焊接方向偏離豎直方向的角度為2°，低功率激光校準時，其光束照射在工件上表面位置為焊縫中心，激光束與水平方向的夾角為80°，激光束輻照板材對接線位置距板材兩端各2mm，軸肩與攪拌針直徑分別為20mm與8mm，攪拌針長度為2.9mm，焊接過程中，軸向下壓力為2000kn，攪拌針的自轉速度為600rpm，激光功率p為2kw，經估算，板材熔化所用時間為1.5s，冷卻至半固態或者超塑性狀態所用時間為0.5s,激光輻照在工件上表面的位置與攪拌針中心的間距為2mm，焊接速度為1mm/s，攪拌頭焊接壽命超過500m，焊接后的焊縫抗拉強度高于母材。

實施例2

附加熱源為電弧：待焊材料為厚度3mm的304不銹鋼板對接，沿著焊接方向依次為攪拌頭、tig電弧、氣體保護裝置，氣體保護噴嘴與軸肩邊緣間隔為10mm，沿水平方向的夾角為45°，保護氣體為氬氣和氦氣的混合氣。攪拌頭沿焊接方向偏離豎直方向的角度為2°，tig電弧在工件上表面加熱位置為焊縫中心，tig電弧與水平方向的夾角為85°，tig電弧加熱板材對接線位置距板材兩端各3mm，軸肩與攪拌針直徑分別為20mm與8mm，攪拌針長度為2.9mm，焊接過程中，軸向下壓力為3000kn，攪拌針的自轉速度為600rpm，tig電弧功率p為3.5kw，經估算，板材熔化所用時間為2.5s，冷卻至半固態或者超塑性狀態所用時間為0.6s，tig電弧在工件上表面的加熱位置與攪拌針中心的間距為2.8mm，焊接速度為1mm/s，攪拌頭焊接壽命超過500m，焊接后的焊縫抗拉強度高于母材。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。