本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)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(shù)：

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡(jiǎn)稱(chēng)fsw)是英國(guó)焊接研究所(theweldinginstitute)于1991年發(fā)明的一種固相焊焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊相比，攪拌摩擦焊接具有接頭缺陷少、質(zhì)量高、變形小，以及焊接過(guò)程綠色、無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、船舶、核工業(yè)、兵器工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(gè)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(guò)攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦產(chǎn)熱，進(jìn)而使連接部位的材料升溫達(dá)到高溫塑性狀態(tài)。在焊接過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭(主要為軸肩)與工件表面摩擦產(chǎn)熱，使攪拌頭前進(jìn)側(cè)的材料發(fā)生強(qiáng)塑性變形，隨著攪拌頭的移動(dòng)，高溫塑性變形的材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，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(wèn)世以來(lái)最引人注目的焊接方法，主要用于焊接低熔點(diǎn)的材料，比如鋁合金、鎂合金等。它的出現(xiàn)使鋁合金等有色金屬的連接發(fā)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(yīng)用。在工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)低熔點(diǎn)合金材料攪拌摩擦焊工藝的研究，已經(jīng)很成熟。但對(duì)于鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊接技術(shù)研究仍有很多問(wèn)題亟待解決，主要問(wèn)題在于攪拌頭高溫強(qiáng)度的限制，使得攪拌頭壽命低、焊接成本很高。

因此，為了進(jìn)一步發(fā)展攪拌摩擦焊接工藝在鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點(diǎn)材料中的應(yīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)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(guò)附加熱源對(duì)工件加熱，熔化冷卻至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，或者直接加熱工件待焊部位達(dá)到半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，然后對(duì)半固態(tài)和超塑性狀態(tài)的高熔點(diǎn)材料進(jìn)行攪拌摩擦焊接，可在很大程度上降低高熔點(diǎn)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(jìn)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(zhuǎn)插入工件對(duì)接或搭接焊縫中且攪拌頭可移動(dòng)；

用于向工件提供熱量在工件表面形成附加熱源加熱區(qū)域的附加熱源部件，附加熱源部件設(shè)于攪拌頭的前方，且距離攪拌頭設(shè)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(hù)裝置，氣體保護(hù)裝置位于附加熱源加熱區(qū)域側(cè)上方和/或攪拌頭前方，用于對(duì)焊接區(qū)域通入保護(hù)氣體。附加熱源部件與攪拌頭存在設(shè)定距離，能夠使高熔點(diǎn)材料的工件熔化，然后冷卻至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)或者直接加熱至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)。

上述裝置中所述附加熱源輸出裝置通過(guò)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(shè)定角度但是同步移動(dòng)，通過(guò)附加熱源輔助加熱待焊工件，使待焊區(qū)域達(dá)到半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)或者直接加熱至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，可在很大程度上降低高熔點(diǎn)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(jìn)而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。

所述保護(hù)氣體為氮?dú)饣驓鍤饣蚝饣蚨趸蓟驓錃饣驓鍤馀c氦氣的混合氣或二氧化碳?xì)怏w與氬氣的混合氣、或二氧化碳?xì)怏w與氦氣的混合氣或氫氣與氬氣的混合氣。

所述氣體保護(hù)裝置包括氣體保護(hù)噴嘴，氣體保護(hù)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(shè)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(yīng)加熱熱源。

所述附加熱源輸出裝置通過(guò)剛性連接件與所述的攪拌頭夾持機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)攪拌頭與附加熱源部件運(yùn)動(dòng)同步。

本發(fā)明的工作原理是：半固態(tài)是指金屬凝固過(guò)程中控制固液態(tài)溫度區(qū)間，得到一種液態(tài)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(dá)60％)，這種半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性、很低的變形抗力。超塑性是指材料在一定的內(nèi)部條件和外部條件下，呈現(xiàn)出異常低的流變抗力、異常高的流變性能的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)超塑性的主要條件是一定的變形溫度和低的應(yīng)變速率。對(duì)于鋼而言，在對(duì)其進(jìn)行加熱或者冷卻的過(guò)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(guò)共析鋼與亞共析鋼大約在100℃上下，在此溫度區(qū)間，可以使材料達(dá)到半固態(tài)，而在相變點(diǎn)附近加工，也可以實(shí)現(xiàn)超塑性。因此，在鋼鐵等高熔點(diǎn)材料攪拌摩擦焊工藝過(guò)程中，通過(guò)附加熱源輔助加熱待焊工件，使待焊區(qū)域達(dá)到半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)，降低攪拌頭承受的焊接力矩、減輕攪拌頭磨損，進(jìn)而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。

本發(fā)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(qū)域達(dá)到半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)，可在很大程度上降低鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點(diǎn)高強(qiáng)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(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)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(jìn)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(shè)在在攪拌頭前方、工件上表面，其移動(dòng)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(qū)域上方和/或攪拌頭前方設(shè)置可通保護(hù)氣體的氣體保護(hù)裝置；

2)焊接開(kāi)始前，通過(guò)附加熱源部件對(duì)工件進(jìn)行加熱至熔化狀態(tài)，然后冷卻至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，或者直接加熱工件待焊部位達(dá)到半固態(tài)或超塑性狀態(tài)；

3)焊接過(guò)程中，附加熱源部件與攪拌頭的攪拌針移動(dòng)方向始終為焊接方向，附加熱源加熱工件到半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，攪拌頭以設(shè)定的焊接速度沿附加熱源前進(jìn)方向在半固態(tài)或超塑性狀態(tài)區(qū)域施焊。

4)氣體保護(hù)裝置在附加熱源加熱區(qū)域上方和/或攪拌頭前方，通有保護(hù)氣體對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)對(duì)同種材料的工件進(jìn)行焊接時(shí)，附加熱源加熱區(qū)域在工件上表面位置為焊縫中心，也是攪拌頭施焊中心。

當(dāng)對(duì)異種材料的工件進(jìn)行焊接時(shí)，所述附加熱源加熱區(qū)域在工件上表面位置偏向高熔點(diǎn)材料一側(cè)，偏距根據(jù)異種材料熔點(diǎn)差值確定，附加熱源加熱區(qū)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(guò)程中，達(dá)到高溫塑性狀態(tài)的材料溢出，沿焊接方向，附加熱源加熱位置應(yīng)與板材工件兩端保持一定的間距；焊接過(guò)程在常溫下進(jìn)行，為降低實(shí)驗(yàn)難度，保護(hù)氣的送進(jìn)時(shí)間可持續(xù)整個(gè)焊接過(guò)程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明通過(guò)將附加熱源在攪拌頭前側(cè)加熱，相比于激光通過(guò)攪拌工具中空內(nèi)腔加熱攪拌針底部、改善加熱不足的問(wèn)題，本裝置為分體式，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)工件先進(jìn)行輔助加熱至半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，再進(jìn)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(fā)明通過(guò)限定附加熱源與工件上表面的角度，可以實(shí)現(xiàn)快速加熱，可有效保證焊接質(zhì)量。

3)本發(fā)明通過(guò)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(jìn)行焊接，本發(fā)明的方法充分發(fā)揮附加熱源的加熱作用，使待焊區(qū)域達(dá)到半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)，可在很大程度上降低高熔點(diǎn)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(jìn)而提高攪拌針壽命，降低焊接成本。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

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

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)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(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，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(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，為了解決如上的技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N激附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)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(zhuǎn)插入工件對(duì)接或搭接焊縫中且攪拌頭可沿著焊縫方向移動(dòng)；附加熱源部件2位于攪拌頭前方設(shè)定距離并加熱母材，附加熱源部件2與攪拌頭存在設(shè)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(yīng)加熱熱源，激光類(lèi)型為光纖激光、蝶形激光、nd:yag激光、co2激光、半導(dǎo)體激光等；氣體保護(hù)裝置3，氣體保護(hù)裝置包括氣體保護(hù)管3，該保護(hù)管3設(shè)于在附加熱源加熱區(qū)域上方(圖1)以及攪拌頭1前方(圖2)，通有保護(hù)氣體對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，氣體保護(hù)管與附加熱源部件2同軸或置于附加熱源部件2的后側(cè)。

其中，所述保護(hù)氣體為氮?dú)?、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?xì)怏w與氬氣的混合氣、二氧化碳?xì)怏w與氦氣的混合氣、氫氣與氬氣的混合氣，對(duì)于厚度較大或者熱傳導(dǎo)率較高的板材工件，優(yōu)先選擇氦氣作為保護(hù)氣，相比于氬氣，氦氣原子質(zhì)量較小，噴嘴噴出后易流失，渦流傾向大，價(jià)格較高，可采用氦氣和氬氣的混合氣。

所述氣體保護(hù)管3的底部設(shè)置噴嘴，噴嘴軸向與工件上表面的夾角為β，0°≤β≤90°，噴嘴對(duì)準(zhǔn)激光輻照區(qū)域側(cè)上方及攪拌頭周?chē)?/p>

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(shè)置攪拌針。

所述攪拌頭1的移動(dòng)速度即焊接速度v1與焊縫長(zhǎng)度s、附加熱源功率p的關(guān)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(guò)焊接速度v1、附加熱源功率p與焊縫的長(zhǎng)度s三者之間的關(guān)系，設(shè)定任意兩項(xiàng)，便可得到剩余項(xiàng)對(duì)應(yīng)的數(shù)值，其中板材的冷卻速率v2以及板材摩爾熔化熱δh可根據(jù)相關(guān)資料查詢(xún)或者測(cè)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(guò)估算得到。

本實(shí)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(wú)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(guò)程中板材的穩(wěn)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(qū)域上方和/或攪拌頭1前方，設(shè)置可通保護(hù)氣體的氣體保護(hù)裝置；

附加熱源部件2位于氣體保護(hù)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(jù)待焊材料熔點(diǎn)、厚度、激光功率和焊接速度來(lái)確定；

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

通過(guò)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(shè)定附加熱源部件2的加熱時(shí)間，避免待焊部位材料未達(dá)到高溫塑性狀態(tài)(未及時(shí)開(kāi)啟)和夾持裝置可能被破壞(未及時(shí)關(guān)閉)的問(wèn)題；

3)焊接開(kāi)始前，通過(guò)附加熱源部件2對(duì)工件4進(jìn)行加熱，直至工件待焊部位達(dá)到半固態(tài)或超塑性狀態(tài)；

4)焊接過(guò)程中，附加熱源部件2與攪拌頭1的攪拌針移動(dòng)方向始終為焊接方向，附加熱源部件2加熱工件到半固態(tài)或超塑性狀態(tài)，攪拌頭1以設(shè)定的焊接速度沿附加熱源部件2前進(jìn)方向施焊，在攪拌頭1前方和附加熱源部件2加熱區(qū)域側(cè)上方均通過(guò)氣體保護(hù)裝置送進(jìn)保護(hù)氣體。

實(shí)施例1

附加熱源為激光：待焊材料為厚度3mm的45號(hào)鋼板對(duì)接，沿著焊接方向依次為攪拌頭、氣體保護(hù)裝置、激光束輸出聚焦鏡頭，氣體保護(hù)噴嘴與軸肩邊緣間隔為10mm，沿水平方向的夾角為45°，保護(hù)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(zhǔn)時(shí)，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(duì)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(zhǎng)度為2.9mm，焊接過(guò)程中，軸向下壓力為2000kn，攪拌針的自轉(zhuǎn)速度為600rpm，激光功率p為2kw，經(jīng)估算，板材熔化所用時(shí)間為1.5s，冷卻至半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)所用時(shí)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(guò)500m，焊接后的焊縫抗拉強(qiáng)度高于母材。

實(shí)施例2

附加熱源為電?。捍覆牧蠟楹穸?mm的304不銹鋼板對(duì)接，沿著焊接方向依次為攪拌頭、tig電弧、氣體保護(hù)裝置，氣體保護(hù)噴嘴與軸肩邊緣間隔為10mm，沿水平方向的夾角為45°，保護(hù)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(duì)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(zhǎng)度為2.9mm，焊接過(guò)程中，軸向下壓力為3000kn，攪拌針的自轉(zhuǎn)速度為600rpm，tig電弧功率p為3.5kw，經(jīng)估算，板材熔化所用時(shí)間為2.5s，冷卻至半固態(tài)或者超塑性狀態(tài)所用時(shí)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(guò)500m，焊接后的焊縫抗拉強(qiáng)度高于母材。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。