一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置与流程

本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置。

背景技术：

搅拌摩擦焊(frictionstirwelding，简称fsw)是英国焊接研究所(theweldinginstitute)于1991年发明的一种固相焊焊接技术。与传统熔焊相比，搅拌摩擦焊接具有接头缺陷少、质量高、变形小，以及焊接过程绿色、无污染等显著优点，在航空、航天、船舶、核工业、兵器工业、交通运输等工业制造领域具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个柱状或者带有螺纹等其他形状的搅拌针伸入工件的待焊部位，通过搅拌针的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦产热，进而使连接部位的材料升温达到高温塑性状态。在焊接过程中，旋转搅拌头(主要为轴肩)与工件表面摩擦产热，使搅拌头前进侧的材料发生强塑性变形，随着搅拌头的移动，高温塑性变形的材料产生塑性流动，流向搅拌头后方空腔，在轴间压力下形成完整焊缝。

搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，主要用于焊接低熔点的材料，比如铝合金、镁合金等。它的出现使铝合金等有色金属的连接发生重大变革，使用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的工程应用。在工业化生产应用中，对低熔点合金材料搅拌摩擦焊工艺的研究，已经很成熟。但对于钢铁、钛合金、镍基合金等高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术研究仍有很多问题亟待解决，主要问题在于搅拌头高温强度的限制，使得搅拌头寿命低、焊接成本很高。

因此，为了进一步发展搅拌摩擦焊接工艺在钢铁、钛合金、镍基合金等高熔点材料中的应用，采取有效措施提高搅拌头的使用寿命，是降低焊接成本的有效途径之一。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，该焊接装置通过附加热源对工件加热，熔化冷却至半固态或超塑性状态，或者直接加热工件待焊部位达到半固态或超塑性状态，然后对半固态和超塑性状态的高熔点材料进行搅拌摩擦焊接，可在很大程度上降低高熔点材料的流变抗力，降低搅拌头承受的焊接力矩、减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命、降低焊接成本。

具体方案如下：

一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，包括：

用于焊接的搅拌头，搅拌头旋转插入工件对接或搭接焊缝中且搅拌头可移动；

用于向工件提供热量在工件表面形成附加热源加热区域的附加热源部件，附加热源部件设于搅拌头的前方，且距离搅拌头设定距离，附加热源部件与工件上表面的夹角为α，30°≤α≤90°；

气体保护装置，气体保护装置位于附加热源加热区域侧上方和/或搅拌头前方，用于对焊接区域通入保护气体。附加热源部件与搅拌头存在设定距离，能够使高熔点材料的工件熔化，然后冷却至半固态或超塑性状态或者直接加热至半固态或超塑性状态。

上述装置中所述附加热源输出装置通过刚性连接件与所述的搅拌头连接，连接件可以是钢性连接杆，保持设定角度但是同步移动，通过附加热源辅助加热待焊工件，使待焊区域达到半固态或者超塑性状态或者直接加热至半固态或超塑性状态，可在很大程度上降低高熔点材料的流变抗力，降低搅拌头承受的焊接力矩、减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命、降低焊接成本。

所述保护气体为氮气或氩气或氦气或二氧化碳或氢气或氩气与氦气的混合气或二氧化碳气体与氩气的混合气、或二氧化碳气体与氦气的混合气或氢气与氩气的混合气。

所述气体保护装置包括气体保护喷嘴，气体保护喷嘴轴向与工件上表面的夹角为β，0°≤β≤90°。

所述搅拌头沿焊接方向，偏离竖直方向的角度为0°～15°，所述搅拌头的轴肩直径为1mm～100mm，搅拌头底部设置搅拌针。

所述附加热源部件提供的附加热源是激光和/或电弧和/或等离子弧和/或感应加热热源。

所述附加热源输出装置通过刚性连接件与所述的搅拌头夹持机构连接，实现搅拌头与附加热源部件运动同步。

本发明的工作原理是：半固态是指金属凝固过程中控制固液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可达60％)，这种半固态金属浆料具有很好的流动性、很低的变形抗力。超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能的现象，实现超塑性的主要条件是一定的变形温度和低的应变速率。对于钢而言，在对其进行加热或者冷却的过程中，液相线和固相线之间存在较大的温度差，其中，共析钢大约在100℃，而过共析钢与亚共析钢大约在100℃上下，在此温度区间，可以使材料达到半固态，而在相变点附近加工，也可以实现超塑性。因此，在钢铁等高熔点材料搅拌摩擦焊工艺过程中，通过附加热源辅助加热待焊工件，使待焊区域达到半固态或者超塑性状态，降低搅拌头承受的焊接力矩、减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命、降低焊接成本。

本发明还提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法，该方法采用上述的焊接装置，待焊区域达到半固态或者超塑性状态，可在很大程度上降低钢铁、钛合金、镍基合金等高熔点高强材料的流变抗力，减轻搅拌头的摩损、降低焊接成本。

该方案如下：一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法，采用所述的一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法，该方法给出了具体如何进行焊接，以提高搅拌针的使用寿命。

一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法，具体步骤如下：

1)附加热源部件设在在搅拌头前方、工件上表面，其移动速度与焊接速度一致，附加热源部件与工件上表面的夹角为α，30°≤α≤90°，在附加热源部件加热区域上方和/或搅拌头前方设置可通保护气体的气体保护装置；

2)焊接开始前，通过附加热源部件对工件进行加热至熔化状态，然后冷却至半固态或超塑性状态，或者直接加热工件待焊部位达到半固态或超塑性状态；

3)焊接过程中，附加热源部件与搅拌头的搅拌针移动方向始终为焊接方向，附加热源加热工件到半固态或超塑性状态，搅拌头以设定的焊接速度沿附加热源前进方向在半固态或超塑性状态区域施焊。

4)气体保护装置在附加热源加热区域上方和/或搅拌头前方，通有保护气体对焊接区域进行保护。

当对同种材料的工件进行焊接时，附加热源加热区域在工件上表面位置为焊缝中心，也是搅拌头施焊中心。

当对异种材料的工件进行焊接时，所述附加热源加热区域在工件上表面位置偏向高熔点材料一侧，偏距根据异种材料熔点差值确定，附加热源加热区域中心与搅拌头中心在焊接方向上可以不在同一条直线上为避免焊接过程中，达到高温塑性状态的材料溢出，沿焊接方向，附加热源加热位置应与板材工件两端保持一定的间距；焊接过程在常温下进行，为降低实验难度，保护气的送进时间可持续整个焊接过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明通过将附加热源在搅拌头前侧加热，相比于激光通过搅拌工具中空内腔加热搅拌针底部、改善加热不足的问题，本装置为分体式，不仅结构简单，附加热源输出装置易于装夹；本方法在原理上也不相同，由附加热源对工件先进行辅助加热至半固态或超塑性状态，再进行焊接，有助于减小搅拌针承受的焊接力矩、提高搅拌针的使用寿命。

2)本发明通过限定附加热源与工件上表面的角度，可以实现快速加热，可有效保证焊接质量。

3)本发明通过附加热源辅助加热待焊工件，相比于在搅拌头轴肩和搅拌针表面熔敷耐磨涂层，提高搅拌头耐磨性，再进行焊接，本发明的方法充分发挥附加热源的加热作用，使待焊区域达到半固态或者超塑性状态，可在很大程度上降低高熔点材料的流变抗力，降低搅拌头承受的焊接力矩，减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命，降低焊接成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种结构示意图；

图2为本发明另一种结构示意图；

图中所示：1、搅拌头，2、附加热源部件，3、气体保护管，4、工件，v1为焊接速度。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种激附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，该装置包括用于焊接的搅拌头，搅拌头旋转插入工件对接或搭接焊缝中且搅拌头可沿着焊缝方向移动；附加热源部件2位于搅拌头前方设定距离并加热母材，附加热源部件2与搅拌头存在设定距离，并且附加热源部件2与搅拌头保持一致的焊接速度，附加热源部件2轴线与工件上表面的夹角为α，10°≤α≤90°；附加热源可以是激光、电弧、等离子弧、感应加热热源，激光类型为光纤激光、蝶形激光、nd:yag激光、co2激光、半导体激光等；气体保护装置3，气体保护装置包括气体保护管3，该保护管3设于在附加热源加热区域上方(图1)以及搅拌头1前方(图2)，通有保护气体对焊接区域进行保护，气体保护管与附加热源部件2同轴或置于附加热源部件2的后侧。

其中，所述保护气体为氮气、氩气、氦气、二氧化碳、氢气或者氩气与氦气的混合气、二氧化碳气体与氩气的混合气、二氧化碳气体与氦气的混合气、氢气与氩气的混合气，对于厚度较大或者热传导率较高的板材工件，优先选择氦气作为保护气，相比于氩气，氦气原子质量较小，喷嘴喷出后易流失，涡流倾向大，价格较高，可采用氦气和氩气的混合气。

所述气体保护管3的底部设置喷嘴，喷嘴轴向与工件上表面的夹角为β，0°≤β≤90°，喷嘴对准激光辐照区域侧上方及搅拌头周围。

所述搅拌头1沿焊接方向，偏离竖直方向的角度为0°～15°，所述搅拌头1的轴肩直径为1mm～100mm，搅拌头1底部设置搅拌针。

所述搅拌头1的移动速度即焊接速度v1与焊缝长度s、附加热源功率p的关系式为：

其中，δh为工件摩尔融化热，n为激光辐照工件单位摩尔量，δt为工件液固相线温差，v2为工件冷却速率。

由上式可知，通过焊接速度v1、附加热源功率p与焊缝的长度s三者之间的关系，设定任意两项，便可得到剩余项对应的数值，其中板材的冷却速率v2以及板材摩尔熔化热δh可根据相关资料查询或者测试得到，而板材固液相温差δt以及激光照射板材单位摩尔量n可通过估算得到。

本实施例还提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法，具体步骤如下：

1)用砂纸去除板材工件待焊部位的氧化膜，并用无水乙醇清洗；用压板、螺栓将待焊板材固定在卡具底座上，保证焊接过程中板材的稳定性；

2)附加热源部件2位于搅拌头1前方一定距离，附加热源部件2轴线与工件4上表面的夹角为α，0°≤α≤90°，在附加热源加热区域上方和/或搅拌头1前方，设置可通保护气体的气体保护装置；

附加热源部件2位于气体保护装置前方，附加热源部件在工件上表面的加热位置与搅拌针中心的间距根据待焊材料熔点、厚度、激光功率和焊接速度来确定；

焊接速度、固液线温差以及位移间隔应略低于理论值，附加热源部件2功率应高于理论值，从而增大搅拌头在板材达到半固态或者超塑性状态下进行施焊的可能性；

通过确定附加热源部件2在工件上表面的加热位置和焊接速度，设定附加热源部件2的加热时间，避免待焊部位材料未达到高温塑性状态(未及时开启)和夹持装置可能被破坏(未及时关闭)的问题；

3)焊接开始前，通过附加热源部件2对工件4进行加热，直至工件待焊部位达到半固态或超塑性状态；

4)焊接过程中，附加热源部件2与搅拌头1的搅拌针移动方向始终为焊接方向，附加热源部件2加热工件到半固态或超塑性状态，搅拌头1以设定的焊接速度沿附加热源部件2前进方向施焊，在搅拌头1前方和附加热源部件2加热区域侧上方均通过气体保护装置送进保护气体。

实施例1

附加热源为激光：待焊材料为厚度3mm的45号钢板对接，沿着焊接方向依次为搅拌头、气体保护装置、激光束输出聚焦镜头，气体保护喷嘴与轴肩边缘间隔为10mm，沿水平方向的夹角为45°，保护气为氩气。搅拌头沿焊接方向偏离竖直方向的角度为2°，低功率激光校准时，其光束照射在工件上表面位置为焊缝中心，激光束与水平方向的夹角为80°，激光束辐照板材对接线位置距板材两端各2mm，轴肩与搅拌针直径分别为20mm与8mm，搅拌针长度为2.9mm，焊接过程中，轴向下压力为2000kn，搅拌针的自转速度为600rpm，激光功率p为2kw，经估算，板材熔化所用时间为1.5s，冷却至半固态或者超塑性状态所用时间为0.5s,激光辐照在工件上表面的位置与搅拌针中心的间距为2mm，焊接速度为1mm/s，搅拌头焊接寿命超过500m，焊接后的焊缝抗拉强度高于母材。

实施例2

附加热源为电弧：待焊材料为厚度3mm的304不锈钢板对接，沿着焊接方向依次为搅拌头、tig电弧、气体保护装置，气体保护喷嘴与轴肩边缘间隔为10mm，沿水平方向的夹角为45°，保护气体为氩气和氦气的混合气。搅拌头沿焊接方向偏离竖直方向的角度为2°，tig电弧在工件上表面加热位置为焊缝中心，tig电弧与水平方向的夹角为85°，tig电弧加热板材对接线位置距板材两端各3mm，轴肩与搅拌针直径分别为20mm与8mm，搅拌针长度为2.9mm，焊接过程中，轴向下压力为3000kn，搅拌针的自转速度为600rpm，tig电弧功率p为3.5kw，经估算，板材熔化所用时间为2.5s，冷却至半固态或者超塑性状态所用时间为0.6s，tig电弧在工件上表面的加热位置与搅拌针中心的间距为2.8mm，焊接速度为1mm/s，搅拌头焊接寿命超过500m，焊接后的焊缝抗拉强度高于母材。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。