一种用于摩擦焊的旋转焊具及焊接方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种用于摩擦焊的旋转焊具及焊接方法，具体涉及一种利用与工件同材质的焊具在工件表面进行摩擦焊接的方法。

背景技术：

现有的摩擦焊接技术一般利用工件与工件之间的相互摩擦(如旋转摩擦焊和线性摩擦焊)或者工件与插入工件的非消耗性工具之间的相互摩擦(如搅拌摩擦焊)来产生热量，软化待焊材料并形成塑性流动，从而打碎原始界面形成有效连接。

对于现有的摩擦焊接技术来说，受工艺特性所限，旋转摩擦焊和线性摩擦焊所焊的接头形式相对来说比较单一，二者通常只能用于焊接具有固定截面形状的工件，但优点是二者几乎适用于焊接所有可以热变形的材料。

搅拌摩擦焊是一种相对较新的摩擦焊接技术，它依靠一个高速旋转的搅拌工具插入工件内部进行搅拌摩擦产热并软化待焊材料形成塑性流动。当高速旋转的搅拌工具沿着待焊接缝移动时，就可以在搅拌工具的后方形成良好的焊接接头。由于搅拌摩擦焊不需要依赖工件之间的相对运动，因此搅拌摩擦焊适用于平板对接、搭接、角接、t型接、点焊、筒体环缝、纵缝等各种复杂的接头形式。

然而，由于需要利用非消耗的搅拌工具插入工件进行摩擦产热，搅拌工具必须要具有远高于工件材料的强度和耐磨性。这对制作搅拌工具的材料提出了较高的要求。目前，虽然搅拌摩擦焊已经应用于铝合金、镁合金、铜合金等强度和熔点较低的材料的工业产生中，但是在焊接长直焊缝时，仍然存在由于热疲劳而引起的搅拌工具折断的风险。而对于具有高强度高熔点的铁基、钛基和镍基合金来说，由于搅拌工具易磨损和断裂，目前仍未实现工业化应用。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于摩擦焊的旋转焊具及焊接方法，解决现有旋转摩擦焊和线性摩擦焊所焊接头形式单一、搅拌摩擦焊搅拌工具易磨损和断裂的问题。

技术方案

一种用于摩擦焊的旋转焊具，其特征在于包括支撑体1和芯料2；芯料置于支撑体下部的套筒1-1空腔内；支撑体上部为刀柄1-2，中心设有一与空腔相通的通孔1-3，通孔1-3的轴心与支撑体1的轴心为同一轴心；所述芯料2为圆柱或棱柱，支撑体1下部的空腔内壁是与圆柱芯料相吻合的圆，或与棱柱相吻合的多边形；芯料端部2-2比支撑体端部1-4超出0～3毫米；所述芯料的材料与待焊接材料相同；所述支撑体1的材质强度高于芯料即待焊材料的强度。

所述支撑体1外部设有超硬材料的第二套筒1-1-1，位于支撑体1的中部，通过内六角螺柱固定连接。

当芯料2为圆柱结构时，芯料2的侧面上部设有加持面2-1，与夹持面2-1相吻合的支撑体的侧边设有通孔，通过内六角螺柱3将芯料与支撑体固定连接。

所述芯料的外径为待焊接工件厚度的3～10倍。

所述支撑体下部的套筒1-1的壁厚为1～2毫米。

一种采用所述用于摩擦焊的旋转焊具进行旋转摩擦焊的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：支撑体1通过刀柄1-2与焊机主轴相连；

步骤2：焊接时，焊机主轴通过支撑体1将扭矩传递给芯料2，以10～2000转/分的转速，缓慢压向待焊工件表面，进行摩擦生热，下压速率为5～30毫米/分；

步骤3：芯料端部2-2与工件4表面接触后，相互摩擦会产生热量，同时芯料端部2-2因摩擦而逐渐损耗；直到支撑体端部1-4与工件4表面紧密接触，以10～500毫米/分的进给速度移动支撑体1，实施焊接；所述支撑体端部1-4与工件4表面紧密接触是：支撑体端部1-4沉入工件4表面0～0.2毫米。

有益效果

本发明提出的一种用于摩擦焊的旋转焊具及焊接方法，以一个旋转的焊具在工件表面摩擦而实现焊接，用于实现该种摩擦焊方法的焊具由芯料和支撑体组成。芯料为耗材，由与待焊接材料同材质的圆柱或棱柱构成。支撑体一端为套筒状，并与芯料形成紧密配合；另一端为普通刀柄，与电机主轴连接。支撑体是非消耗部件，其材质强度应高于待焊材料。

本发明与普通的线性摩擦焊、旋转摩擦焊相比，本发明可以利用同质材料相互摩擦来焊接板材的对接、搭接和点焊，不再局限于特定截面形状的工件。与普通搅拌摩擦焊相比，本发明不再需要非消耗性的搅拌工具作为焊具，从根本上解决了搅拌头易磨损和断裂的难题。

附图说明

图1为本发明公开的摩擦焊方法中对接时焊具与工件的主视图。

图2为芯料为圆柱形的焊具刨面图。

图3为附加冷却装置的焊具刨面图。

图4为本发明公开的摩擦焊方法中搭接和点焊时焊具与工件的主视图。

图5为芯料为正八棱柱的焊具主视图。

图6为焊接高熔点金属用的复合式焊具结构主视图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

以一个旋转的焊具在工件表面摩擦而实现焊接，用于实现该种摩擦焊方法的焊具由芯料和支撑体组成。芯料为耗材，由与待焊接材料同材质的圆柱或棱柱构成。支撑体一端为套筒状，并与芯料形成紧密配合；另一端为普通刀柄，与电机主轴连接。支撑体是非消耗部件，其材质强度应高于待焊材料。芯料端部略微高出支撑体端部0-3毫米。

焊接时，焊具以10-2000转/分的转速，缓慢压向待焊工件表面，进行摩擦生热，下压速率为5-30毫米/分。待芯料高出支撑体的部分完全消耗，支撑体与工件表面紧密接触时，以10-500毫米/分的进给速度移动焊具，进行焊接。这样，由支撑体带动芯料转动，芯料端部再驱动焊具下方的工件材料流动，从而在焊具下方形成一个旋转的材料涡流。涡流随着焊具移动，便会在涡流经过的地方形成焊缝，实现材料连接。

该摩擦焊方法可用于点焊、搭接、对接等接头形式。用于点焊时，焊具无需移动。

上述焊接方法中所用芯料由与待焊接材料同材质的棒材制作，棒材的外径为待焊接工件厚度的3-10倍。待焊接工件的厚度越小，该倍数越大。在支撑体与芯料相互紧密配合的一端，支撑体的壁厚为1-2毫米。芯料和支撑体之间无相对转动，保证扭矩可以通过支撑体传递到芯料上。该摩擦焊方法可焊接板厚为0.5-6毫米。可焊接材料包括但不限于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铁合金以及镍合金。

实施实例1：结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式包括支撑体1、芯料2、内六角螺柱3以及待焊工件4。支撑体1由套筒1-1、刀柄1-2和内置在刀柄中心轴的通孔1-3组成。芯料2上端设有夹持面2-1。芯料2与套筒1-1紧密配合，并通过内六角螺柱3和夹持面2-1固定。拆卸时可借助刀柄1-2内部的通孔1-3。芯料端部2-2比支撑体端部1-4超出0-3毫米。焊接时，支撑体1通过刀柄1-2与焊机主轴相连。焊机主轴通过支撑体1将扭矩传递给芯料2。在10-2000转/分的转速下，芯料端部2-2缓慢压向工件4表面，下压速率为5-30毫米/分。芯料端部2-2与工件4表面接触后，相互摩擦会产生热量，同时芯料端部2-2因摩擦而逐渐损耗。直到支撑体端部1-4与工件4表面紧密接触(支撑体端部1-4沉入工件4表面0-0.2毫米)，以10-500毫米/分的进给速度移动支撑体1，实施焊接。

实施实例2：结合图1和图3说明本实施方式。本实施方式与实施实例1的不同之处在于，套筒1-1外侧由循环的冷却液5包裹，以降低芯料2的温度，维持扭矩从芯料2到工件4的传递。其他实施步骤与实施实例1相同。

实施实例3：结合图4说明本实施方式。本实施方式与实施实例1的不同之处在于，工件4-1和4-2的接头形式为搭接。其他实施步骤与实施实例1相同。

实施实例4：结合图4说明本实施方式。本实施方式与实施实例1的不同之处在于，工件4-1和4-2的接头形式为搭接。支撑体端部1-4与工件4-1表面紧密接触(支撑体端部1-4沉入工件4-1表面0-0.2毫米)后，保持0-15s，再向上拔起支撑体，完成点焊。其他实施步骤与实施实例1相同。

实施实例5：结合图5说明本实施方式。本实施方式与实施实例1的不同之处在于，芯料2为八棱柱形，套筒1-1也为八棱柱形(其他多边形棱柱亦可)，通过形状匹配，支撑体1直接将扭矩传递给芯料2，不再需要内六角螺柱固定。其他实施步骤与实施实例1相同。

实施实例6：结合图6说明本实施方式。本实施方式与实施实例1的不同之处在于，支撑体1为分体式结构，用于焊接高熔点金属材料。支撑体1由工具钢制作的套筒1-1、刀柄1-2、通孔1-3以及超硬材料(碳化钨、氮化硅、钨铼合金等)制作的第二套筒1-1-1组成。工具钢套筒1-1和超硬材料套筒1-1-1通过内六角螺柱和夹持面1-1-2固定。其他实施步骤与实施实例5相同。