[發(fā)明專利]一種軸肩固定且攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210059054.6
• 申請日: 2012-03-08
• 公開（公告）號: CN102581471A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姬書得;許志武;張利國;鄒愛麗;呂贊;李亮
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽航空航天大學(xué)
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 沈陽維特專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

技術(shù)領(lǐng)域：本發(fā)明涉及一種焊接方法，尤其是一種軸肩固定且攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法，可實(shí)現(xiàn)鋁合金、鎂合金等同種或異種金屬材料結(jié)構(gòu)件的連接。

背景技術(shù)：作為一種固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊技術(shù)具有低應(yīng)力、小變形、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。在攪拌摩擦焊過程中，攪拌工具與試件間存在較大的軸向壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩以及前進(jìn)阻力等，導(dǎo)致采用剛度較大的焊接用夾具；當(dāng)焊接過程中的熱量輸入不足，材料的流動性不好，導(dǎo)致隧道、S形線等缺陷的產(chǎn)生。上述問題的產(chǎn)生主要?dú)w咎于攪拌摩擦焊本身的技術(shù)特性，即固相。為了降低焊接過程中的裝夾要求，研究工作者常采用兩種途徑：一是熱源輔助的攪拌摩擦焊；二是攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊。而攪拌工具的高速旋轉(zhuǎn)亦可解決由流動性不好造成的焊接缺陷問題。對于攪拌摩擦焊來講，焊接熱主要靠組成攪拌工具的軸肩與攪拌針摩擦與剪切母材產(chǎn)生，而焊接熱會隨著攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，造成焊接材料的溫度升高。基于此，提出了半固相態(tài)攪拌摩擦焊方法。同時(shí)，為了進(jìn)一步細(xì)化攪拌區(qū)的晶粒進(jìn)而提升接頭性能，可采用超聲輔助。研究資料表明，超聲細(xì)化晶粒的效果只要當(dāng)材料溫度較高時(shí)可能體現(xiàn)出來，因此，不適用于固相攪拌摩擦焊方法的超聲波可細(xì)化處于半固態(tài)的攪拌區(qū)的晶粒。

發(fā)明內(nèi)容：本發(fā)明為了解決攪拌摩擦焊接過程中的夾具剛度要求高、避免由材料流動性不足而導(dǎo)致的缺陷等問題，提出了一種軸肩固定且攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種軸肩固定且攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法，采用以下步驟：

步驟一、將焊件A和焊件B對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A與焊件B組對)，并用夾具裝夾在工作臺上；所述焊件A和焊件B均為板材。

步驟二、組成攪拌工具的帶螺紋攪拌針最大直徑大于1.5倍工件厚度且錐角小于5°，以1000～5000rpm的轉(zhuǎn)速扎入待焊部位(即焊件A與焊件B的對接面)；組成攪拌工具的軸肩固定(即不旋轉(zhuǎn))且軸肩直徑大于2倍的工件厚度，超聲換能器的超聲波通過攪拌工具的軸肩傳遞并放大，超聲波的參數(shù)如下：頻率為16～60K以及振幅為20～50μm；攪拌工具扎入速度為1～4mm/min，攪拌針扎入工件深度比工件厚度小0.1～0.3mm，軸肩不扎入工件，保持軸肩端面與工件上邊面緊密貼合，以便于超聲波傳遞給工件的待焊部分。

步驟三、當(dāng)攪拌工具達(dá)到設(shè)定的下扎深度時(shí)，攪拌針停止下扎且繼續(xù)旋轉(zhuǎn)1～5分鐘；然后，攪拌工具以50～1000mm/min的速度沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。

本發(fā)明的有益效果是：

一、攪拌針高速旋轉(zhuǎn)與焊接件相互摩擦和軸肩的超聲振動共同為待焊部分提供大量的熱，導(dǎo)致材料溫度介于固相線與液相線溫度之間(即半固態(tài)溫度)，使得攪拌針附近材料的軟化程度加大，旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)與前進(jìn)阻力相應(yīng)的減少，有效防止隧道、S形線等缺陷的產(chǎn)生，有利于降低裝夾要求。

二、攪拌工具的軸肩固定且不扎入工件表面，對處于軟化狀態(tài)下的焊接材料進(jìn)行碾壓，可防止攪拌區(qū)材料流出焊件，避免飛邊缺陷的產(chǎn)生，使焊件的表面質(zhì)量更好，大大提高了焊接頭的力學(xué)性能。

三、攪拌工具的軸肩上端面直接與超聲換能器相連接，軸肩的下端面與工件表面緊密接觸，直接將超聲波放大并傳遞到待焊部分，進(jìn)而起到對焊接部分材料內(nèi)部的晶粒細(xì)化的作用，進(jìn)一步提高焊接頭的性能。

附圖說明

圖1是攪拌工具的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是軸肩固定及攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接過程示意圖。

圖3是攪拌摩擦焊接過程攪拌工具與兩塊待焊板材的位置關(guān)系示意圖

具體實(shí)施方式：

如圖1和圖2所示：焊件A5和焊件B6對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A5與焊件B6組對)，所述焊件A5和焊件B6均為板材。超聲換能器3與固定軸肩2的上端面緊密貼合，此處的固定軸肩2充當(dāng)超聲換能器3的變幅桿，將超聲波放大并傳遞到待焊部分；攪拌工具4由攪拌針1、固定軸肩2組成，固定軸肩2套裝在攪拌針1上，其中攪拌針1的直徑較大，可增加與待焊件相互摩擦的接觸面，進(jìn)而提高了待焊接部分的產(chǎn)熱效率

如圖3所示：固定軸肩2下端面與待焊件的上表面保持緊密貼合但不扎入，攪拌針1的扎入深度為H，焊接件A5與焊接件B6的厚度均為T。

實(shí)施例一

本實(shí)施方式所述的一種軸肩固定且攪拌針旋轉(zhuǎn)的超聲波輔助半固態(tài)攪拌摩擦焊接方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：