一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置的制作方法

本发明属于搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

搅拌摩擦焊接是一种新型固相连接技术，具有接头质量高、焊接变形小、焊接过程绿色环保等优点，在铝合金、镁合金等材料连接领域具有广泛应用。搅拌摩擦焊接主要依靠搅拌头与工件之间的摩擦热和材料的塑性变形热来软化待焊区材料，使其流动形成接头。但作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接技术存在焊接载荷大、速度慢、效率低等问题。此外，在焊接工艺参数匹配不当或使用较高焊接速度时，搅拌区塑性材料软化不足，流动不充分，不能及时填充搅拌头后方空腔，就会在接头内部产生孔洞缺陷。另一方面，由于搅拌摩擦焊接过程中，大部分的热量依靠轴肩产生，导致焊缝根部产热不足，加上搅拌针长度一般比工件厚度略小，不能完全插入工件底部，致使焊缝底部容易产生未焊合缺陷。上述孔洞及未焊合缺陷不仅降低了接头组织的均匀性、减小有效承载面积，还会产生应力集中、诱发裂纹起源与扩展，严重影响接头的使役性能，同时限制了搅拌摩擦焊接临界焊接速度和效率的进一步提高。

为了解决上述问题，专利《cn1836820a》公开了一种从搅拌头施加超声能量的超声辅助搅拌摩擦焊接方法，随后专利《cn102744516a》公开了一种从搅拌头前方工件施加超声能量的方法，上述两种方法均从工件上部施加超声能量，超声能量传递至焊缝根部时能量较弱，超声能量利用率较低。为了提高超声能量利用率，专利《cn105397277a》提出了在工件背部施加超声能量的方法，但这种方法的超声工具头与搅拌头同轴，大部分超声能量作用于搅拌针之上，而并未作用于搅拌针周围的塑性剪切层内。此外，由于搅拌针长度小于工件厚度，焊接过程中仍容易在焊缝根部产生未焊合缺陷。专利《cn105382405a》提出一种在工件背部使用带有盲孔的静止轴肩支撑，将长针搅拌头倾斜穿透工件，但其方法采用特制的平移滑块与导轨配合，只能进行直线焊缝的焊接，难以实现曲线焊缝的连接。此外，该方法未施加超声能量，不能降低焊接载荷、提高焊接效率。

技术实现要素：

为了克服上述问题，提高超声能量的利用率以及超声在焊缝根部的作用效果，同时彻底消除焊缝根部可能产生的未焊合缺陷，本发明提供了一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，使搅拌针能够穿透工件，同时将超声直接从工件背部施加于焊缝根部搅拌针周围的塑性剪切层内，利用超声振动能量降低材料的塑性变形抗力，提高其塑性流动性，从而解决在工艺参数不匹配或采用较高焊接速度的条件下，搅拌摩擦焊缝容易产生孔洞及未焊合的问题，进而提高搅拌摩擦临界焊接速度和焊接效率，同时降低焊接载荷。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，包括：长针搅拌头(1)、带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)、变幅杆(6)、换能器(5)、超声波发生器(4)，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)的整体为块状结构，所述块状结构的顶部设置孔槽，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)与变幅杆(6)、换能器(5)超声波发生器(4)依次相连，所述换能器(5)设置在平台上，所述长针搅拌头(1)可穿过工件插入到孔槽中，并与搅拌摩擦焊机相连，所述平台的两侧还设置有垫板(3)。

本申请中，块状结构可以为矩形、三角形、圆柱形或其他不规则的图形，只要保证能形成稳定的支撑平台即可。

为了提高超声振动能量的利用率以及超声在焊缝根部的作用效果，同时彻底消除焊缝根部可能产生的未焊合缺陷，本发明提出一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，通过采用长针搅拌头穿透工件，且同时采用带孔槽和支撑平台的超声工具头将超声振动能量直接施加于焊缝根部搅拌针周围的剪切层内，进而降低材料塑性变形抗力，提高其塑性流动性，同时消除孔洞和未焊合缺陷，获得优质的搅拌摩擦焊接接头，并降低焊接载荷、提高临界焊接速度和焊接效率。

在一些实施例中，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头的孔槽中心与搅拌头中心线同轴。上述设计使超声作用的部位位于搅拌区，超声能量能够作用于焊缝根部，提高了超声能量的利用率；同时避免了超声工具头轴线与工件平面之间存在较大夹角时，易产生挠度的问题。

在一些实施例中，所述垫板(3)端面与超声工具头的支撑平台平齐，且均与工件下表面直接接触。既保证了加工过程中，工件的稳定性，又使超声能量能够最大化地作用于焊缝根部。

在一些实施例中，所述孔槽为球形盲孔或沟槽，其直径或宽度比搅拌针底部直径宽10％-30％，使超声能量可以直接施加于焊缝根部搅拌针周围的剪切层内，进而降低材料塑性变形抗力，提高其塑性流动性，消除孔洞和未焊合缺陷，同时又不妨碍搅拌头的转动。

对于特定的板材，搅拌针插入工件的深度一般控制在固定的范围内。在常规fsw焊接过程中，搅拌针长度比工件厚度约小0.2mm，焊缝根部容易产生未焊合缺陷。本发明采用略长于工件的搅拌针，使其穿透工件，消除未焊合缺陷，但同时搅拌针的长度不宜过长，以免影响焊接深度的调节。在一些实施例中，本发明优选的带长针搅拌头的搅拌针比工件厚度长10％-30％，但不长于2mm，以获得较优的焊接效果。

在一些实施例中，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头为工具钢、钛合金或硬质合金，以使超声工具头具有足够的强度和耐磨性，以及良好的高温强度和疲劳强度。

在一些实施例中，所述平台为带有万向轮的滑动平台(8)，方便焊接过程中平台的移动和安装，提高焊接效率。

在一些实施例中，所述超声能量施加装置置于工作台(9)上，保证焊接过程中，超声辅助搅拌摩擦焊接装置平稳运行，提高焊接质量和生产效率，缩短准备时间。

本发明还提供了一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接方法，包括：

采用带有孔槽与支撑平台的超声工具头与工件背部待焊区直接接触，施加超声能量，达到改善焊接过程、提高接头性能的目的；

采用长针搅拌头，使搅拌针的针头能够穿透工件，到达带有孔槽与支撑平台的超声工具头的孔槽中，在施加超声能量的条件下，进行搅拌摩擦焊接。

本发明还提供了任一上述的装置在固相连接中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用带有孔槽和支撑平台的超声工具头，将超声能量直接施加于焊缝底部搅拌针周围的塑性剪切层内，超声能量利用率高，同时搅拌针穿透工件，彻底避免未焊合缺陷。通过采用带有孔槽和支撑平台的超声工具头，利用超声能量降低材料塑性变形抗力，提高其塑性流动性，辅助软化搅拌区的塑性流变材料，同时避免孔洞和未焊合缺陷，达到提高临界焊接速度和生产效率，改善焊接接头质量的目的。

(2)本发明的结构简单、操作方便、实用性强，易于规模化推广。

附图说明

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

图1是本发明的一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置的结构示意图；

其中：1、长针搅拌头；2、待焊工件；3、垫板；4、超声波发射器；5、换能器；6、变幅杆；7、带有孔槽与支撑平台的超声工具头；8、带有万向轮的滑动平台；9、工作台。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，目前超声辅助搅拌摩擦焊接方法存在的超声能量利用率低、焊缝根部可能产生的未焊合缺陷的问题。因此，本发明提出一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，它包括长针搅拌头、带有孔槽与支撑平台的超声工具头、变幅杆、换能器、超声波发射器。焊接前两待焊工件一端置于带有孔槽与支撑平台的超声工具头之上，另一端置于两侧垫板之上并夹紧固定；带有孔槽与支撑平台的超声工具头的孔槽中心与搅拌头中心线同轴。垫板与超声工具头支撑端面平齐，且均与工件下表面直接紧密接触。在焊接过程中，长针搅拌头与搅拌摩擦焊机相连，插入待焊接合面。来自搅拌头轴向的下压力主要由超声工具头承受，同时超声振动能量通过支撑平台直接施加于搅拌针周围的塑性剪切层内。超声施加装置由带有孔槽与支撑平台的超声工具头、变幅杆、换能器、超声波发生器组成，带有孔槽与支撑平台的超声工具头与变幅杆固定连接，变幅杆通过螺栓与换能器一端直接固定，换能器与超声波发射器通过导线相连，换能器通过夹具固定于带有万向轮的可滑动平台之上，滑动平台置于工作台，焊接过程中带有万向轮的滑动平台随搅拌头沿焊接方向一起运动。

上述设计有效解决了搅拌摩擦焊接存在的载荷大、效率低问题，运用带有孔槽和支撑平台的超声工具头，将超声施加于焊缝根部搅拌针周围塑性剪切层内，提高超声能量利用率、消除孔洞缺陷、降低焊接载荷、提高焊接速度，同时采用长针搅拌头，使搅拌针穿透工件背部，彻底避免未焊合缺陷。

以下通过具体的实施例对本发明的方案进行描述。

实施例1

一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，包括长针搅拌头1、带有孔槽和支撑平台的超声工具头7、变幅杆6、换能器5、超声波发生器4，带有万向轮的滑动平台8。

上述装置的具体安装和使用方法如下：

步骤一、超声振动施加装置的安装固定：

带有孔槽和支撑平台的超声工具头7、变幅杆6和换能器5连接为一体，并固定于带有万向轮的滑动平台8之上。

换能器5与超声波发生器4通过导线连接，超声波发生器4将将工频(50hz)电流转变为超声频率(15-60khz)的振荡电流，并通过导线传输至换能器5，将超声频率的振荡电流转换为超声频率的振动机械能，再经变幅杆6将振幅进一步放大至(5-150μm)，最后经过带有孔槽和支撑平台的超声工具头7将超声能量施加于工件背部搅拌针周围的塑性剪切层内。

步骤二、工件的装夹：

将垫板3采用螺栓固定于工作台9，垫板3与带有孔槽和支撑平台的超声工具头7同高；

将两待焊工件2的待焊对接面置于超声工具头7中心，使对接面中心线与孔槽中心线对齐，工件的另两端置于两侧垫板3之上，并采用夹具固定。

步骤三、焊接：

设置搅拌摩擦焊接参数(搅拌头转速、焊接速度、下压量/下压力、搅拌头倾角等)，启动搅拌摩擦焊机，同时启动超声发生器4的电源，调整超声波发生器参数(功率、频率、振幅等)；

随着长针搅拌头2下压至设定值后，搅拌头沿待焊接合面运动，直至焊接完成，长针搅拌头抽出工件，焊接过程完成，关闭超声波发生器4的电源和搅拌摩擦焊机电源。

实施例2

一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，包括：长针搅拌头(1)、带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)、变幅杆(6)、换能器(5)、超声波发生器(4)，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)的整体为块状结构(包括圆柱或圆锥或方形)，所述块状结构的顶部设置孔槽，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)与变幅杆(6)、换能器(5)超声波发生器(4)依次相连，所述换能器(5)设置在平台上，所述长针搅拌头(1)可穿过工件插入到超声工具头(7)的孔槽中，并与搅拌摩擦焊机相连，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头与工件下表面直接接触，一方面提供支撑作用，另一方面将超声能量直接施加于搅拌针周围的塑性剪切层内，提高超声能量利用率，同时利用超声软化效应，辅助软化材料，增强塑性材料流动，改善焊接过程和焊缝成形，并提高接头性能。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。