专利名称：能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法
技术领域：
本发明涉及一种随焊填丝搅拌摩擦焊接方法，具体涉及一种能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法。
背景技术：
英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接技术，该技术是利用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位并向前移动，高速旋转的搅拌头与工件间进行剧烈的摩擦搅拌，所产生的摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，利用轴肩的挤压联合作用，形成致密的焊缝。焊接过程中待焊金属不发生熔化，是一种先进的固相连接技术。这种技术可以避免出现与熔化焊相关的气孔、裂纹等焊接缺陷，实现对材料的高质量连接。
搅拌摩擦焊焊后不会出现焊缝余高，但是，由于在焊接过程中，搅拌头的轴肩端面需要预先压入母材表面一定深度(下压量)，因此，形成了特有的“飞边”现象，造成了焊缝处材料的损失，使焊缝截面形貌发生了 “减薄效应”，焊缝的高度低于焊接前母材的原始厚度，明显降低了焊缝的承载性能。目前控制焊缝减薄的方法主要是减小焊接时的下压量或者将焊缝处的材料高度预先增加，但这些方法都不能很好地控制减薄量，前者严重地影响了焊接质量，后者则费时、费料，且效果也并不理想。
英国焊接研究所就搅拌摩擦焊技术申请的中国专利(CN1144499A)中，将搅拌头轴肩的端面结构改进为内凹面，然而，焊缝的减薄量并未得到很好的控制。申请号为200710302169.2，发明名称为《一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头》的中国专利设计的搅拌头可以有效地去除焊缝“飞边”，获得高质量的表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝，但这种搅拌头仍然未能消除焊缝的“减薄效应”。申请号为201010120293.9，发明名称为《能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式》的中国专利设计的组合式搅拌头能够在一定程度上降低焊缝减薄的厚度而无法完全消除“减薄效应”，其特殊设计的搅拌针表面螺纹结构复杂，焊具的加工成本较高且容易损坏。
目前，针对如何消除焊缝的“减薄效应”所提出的专利申请主要集中在对焊具轴肩和搅拌针结构的设计上，而很少涉及通过外加焊接材料改变焊缝厚度，从而解决焊缝减薄问题的方法。发明内容
本发明的目的是针对传统的搅拌摩擦焊接技术无法解决的焊缝厚度减薄的问题，提供一种能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法。
本发明的能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法是通过以下步骤实现的:
步骤一、焊前准备:将送丝轮和定位导轮固定安装于焊机主轴上，将母材对接或搭接装夹，将带状焊丝置于定位导轮之下，定位导轮紧贴母材表面，并将带状焊丝固定于母材表面，将带状焊丝的端部置于搅拌头的正下方，带状焊丝的宽度d应等于或小于搅拌头的轴肩直径D，母材的厚度与带状焊丝的厚度之和为工件总厚度T，搅拌头上的搅拌针的长度L比工件总厚度T小0.1mm 0.5mm ；
步骤二、施焊:启动焊机，搅拌头开始垂直向下进给，随后，搅拌头上的搅拌针开始与带状焊丝的端部接触并钻入母材内，焊接开始，焊接过程中，送丝轮、定位导轮和搅拌头与主轴一同沿焊接方向运动，搅拌头的旋转速度为200rpm 1500rpm、焊接速度为25mm/min 800mm/min,搅拌头的倾角为O 4° ,轴肩压入深度为0.1mm 0.4mm,通过搅拌针和轴肩的搅拌加热作用实现对母材的焊接；
步骤三、焊后清理:送丝轮和定位导轮和搅拌头与焊机主轴一同提起后，用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除多余的焊丝材料及飞边。
本发明具有以下优点:一、本发明改变了传统搅拌摩擦焊的焊接过程，利用轴肩的搅拌摩擦和锻压作用将带状焊丝焊接于母材表面，增加焊缝厚度，消除减薄效应，本发明的方法所形成的焊缝为规则的鱼鳞纹焊缝，且平滑美观。通过随焊送入带状焊丝的方法解决焊缝减薄的问题，送丝设备结构简单，焊接成本低，操作简便，容易实现。二、本发明属于固相连接方法，利用搅拌头所特有的摩擦搅拌和锻压作用，将外加焊丝材料焊接于母材表面，焊接温度低，热畸变小，焊接残余应力低，界面结合强度高，焊缝成形平滑美观。三、通过改变带状焊丝的材料，可以改变焊缝的表面性能，特别是耐磨、耐蚀等特性。四、焊接区域无需真空或气体保护，焊接过程无弧光、烟尘污染，焊接环境较清洁。
图1是带状焊丝随焊送入的搅拌摩擦焊方法的焊前示意图；图2是带状焊丝随焊送入的搅拌摩擦焊方法的焊接过程示意图；图3是图2的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式
一:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的:
步骤一、焊前准备:见图1，将送丝轮3和定位导轮4固定安装于焊机主轴上，将母材2对接或搭接装夹，将带状焊丝5置于定位导轮4之下，定位导轮4紧贴母材2表面，并将带状焊丝5固定于母材2表面，见图1，将带状焊丝5的端部置于搅拌头I的正下方，使其端部在焊接开始时能够完全被轴肩所覆盖，带状焊丝5的宽度d应等于或小于搅拌头I的轴肩直径D，使得带状焊丝5的两侧边缘在焊接过程中能够完全被轴肩所覆盖，母材2的厚度与带状焊丝5的厚度之和为工件总厚度T，搅拌头I上的搅拌针1-1的长度L比工件总厚度T小0.1mm 0.5mm,可设计祐1架结构,送丝轮3和定位导轮4通过祐1架结构固定安装于焊机主轴上；
步骤二、施焊:启动焊机，搅拌头I开始垂直向下进给，随后，搅拌头I上的搅拌针1-1开始与带状焊丝5的端部接触并钻入母材2内，焊接开始，焊接过程中，送丝轮3、定位导轮4和搅拌头I与主轴一同沿焊接方向运动,搅拌头I的旋转速度为200rpm 1500rpm、焊接速度为25mm/min 800mm/min,搅拌头I的倾角为O 4° ,轴肩压入深度为0.1mm 0.4mm，通过搅拌针1-1和轴肩的搅拌加热作用实现对母材2的焊接，并主要利用轴肩的搅拌和锻压作用将带状焊丝5堆焊于母材2的表面，形成规则的鱼鳞纹焊缝；搅拌头I的旋转方向、焊接方向、定位轮旋转方向、焊丝送进方向和送丝轮旋转方向如图2所示，搅拌头I的尺寸(轴肩直径、轴肩锥度、搅拌针长度、搅拌针锥度)选择常规搅拌头最优尺寸；步骤三、焊后清理:送丝轮3和定位导轮4和搅拌头I与焊机主轴一同提起后，用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除多余的焊丝材料及飞边。
具体实施方式
二:结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的搅拌头1、定位导轮4、带状焊丝5、送丝轮3位于同一直线上。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:结合图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中定位导轮4两侧设计有凸缘4-1，凸缘4-1高度应大于或等于带状焊丝5的厚度。凸缘4-1可以避免带状焊丝5横向移动，凸缘4-1引导带状焊丝5沿焊接方向铺设。其它步骤与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:结合图1说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的搅拌头I上的搅拌针1-1的长度L比工件总厚度T小0.3mm。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是步骤一中的带状焊丝5可重叠放置多层，多层带状焊丝5可为同种材料或异种材料。这样为得到不同厚度和结构的堆焊层。当带状焊丝5采用多层重叠的方式进行焊接时，定位导轮4两侧的凸缘4-1高度应大于或等于多层带状焊丝5的累加厚度。其它步骤与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
六:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌头I的旋转速度为500rpm、焊接速度为600mm/min,搅拌头I的倾角为2° ,轴肩压入深度为
0.2mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七:结合图1 图3说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌头I的旋转速度为800rpm、焊接速度为200mm/min，搅拌头I的倾角为2。，轴肩压入深度为
0.3mmο具体实施方式
八:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌头I的旋转速度为800rpm、焊接速度为500mm/min,搅拌头I的倾角为3° ,轴肩压入深度为
0.2mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌头I的旋转速度为lOOOrpm、焊接速度为300mm/min,搅拌头I的倾角为1°，轴肩压入深度为
0.4mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十:结合图2说明本实施方式，本实施方式是步骤二中的搅拌头I的旋转速度为1200rpm、焊接速度为400mm/min，搅拌头I的倾角为4°，轴肩压入深度为
0.1mm。其它步骤与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.一种能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述方法是通过以下步骤实现的: 步骤一、焊前准备:将送丝轮(3)和定位导轮(4)固定安装于焊机主轴上，将母材(2)对接或搭接装夹，将带状焊丝(5)置于定位导轮(4)之下，定位导轮(4)紧贴母材(2)表面，并将带状焊丝(5)固定于母材(2)表面，将带状焊丝(5)的端部置于搅拌头(I)的正下方，带状焊丝(5)的宽度d应等于或小于搅拌头(1)的轴肩直径D，母材(2)的厚度与带状焊丝(5)的厚度之和为工件总厚度T，搅拌头(1)上的搅拌针(1-1)的长度L比工件总厚度T小0.1mm 0.5mm ； 步骤二、施焊:启动焊机，搅拌头(1)开始垂直向下进给，随后，搅拌头(I)上的搅拌针(1-1)开始与带状焊丝(5)的端部接触并钻入母材(2)内，焊接开始，焊接过程中，送丝轮(3)、定位导轮(4)和搅拌头(I)与主轴一同沿焊接方向运动，搅拌头(I)的旋转速度为200rpm 1500rpm、焊接速度为25mm/miη 800mm/min,揽拌头(I)的倾角为O 4。，轴肩压入深度为0.1mm 0.4mm,通过搅拌针(1_1)和轴肩的搅拌加热作用实现对母材(2)的焊接； 步骤三、焊后清理:送丝轮(3)和定位导轮(4)和搅拌头(I)与焊机主轴一同提起后，用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除多余的焊丝材料及飞边。
2.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤一中的搅拌头(I)、定位导轮(4)、带状焊丝(5)、送丝轮(3)位于同一直线上。
3.根据权利要求1或2所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤一中定位导轮(4)两侧设计有凸缘(4-1)，凸缘(4-1)高度应大于或等于带状焊丝(5)的厚度。
4.根据权利要求3所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤一中的搅拌头(1)上的搅拌针(1-1)的长度L比工件总厚度T小0.3mm。
5.根据权利要求3所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤一中的带状焊丝(5)可重叠放置多层，多层带状焊丝(5)可为同种材料或异种材料。
6.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤二中的搅拌头(1)的旋转速度为500rpm、焊接速度为600mm/min,搅拌头(I)的倾角为2°，轴肩压入深度为0.2mm。
7.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤二中的搅拌头(1)的旋转速度为800rpm、焊接速度为200mm/min,搅拌头(I)的倾角为2°，轴肩压入深度为0.3mm。
8.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤二中的搅拌头(1)的旋转速度为800rpm、焊接速度为500mm/min,搅拌头(I)的倾角为3°，轴肩压入深度为0.2mm。
9.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤二中的搅拌头(1)的旋转速度为lOOOrpm、焊接速度为300mm/min,搅拌头(I)的倾角为1°，轴肩压入深度为0.4mm。
10.根据权利要求1所述能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，其特征在于:所述步骤二中的搅拌头(1)的旋转速度为1200rpm、焊接速度为400mm/min,搅拌头(I)的倾角为4°，轴肩压入深度 为0.1mm。
全文摘要
能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法，它涉及一种随焊填丝搅拌摩擦焊接方法，以解决传统搅拌摩擦焊接技术无法解决的焊缝厚度减薄的问题。方法一、焊前准备送丝轮和定位导轮安装于焊机主轴上，母材装夹，带状焊丝置于定位导轮下，定位导轮紧贴母材表面，带状焊丝的端部置于搅拌头的正下方；二、施焊启动焊机，搅拌头开始垂直向下进给，搅拌头上的搅拌针开始与带状焊丝的端部接触并钻入母材内，焊接开始，焊接过程中，送丝轮、定位导轮和搅拌头与主轴一同沿焊接方向运动，通过搅拌针和轴肩的搅拌加热作用实现对母材的焊接；三、焊后清理用剪钳剪断焊丝，用钢丝刷去除残留的少量焊丝材料及飞边。本发明用于搅拌摩擦焊接。
文档编号B23K20/26GK103157903SQ201310127549
公开日2013年6月19日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者黄永宪, 韩冰, 吕世雄, 万龙, 刘会杰, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学