[發明專利]一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法

有效

• 申請號: 201610718612.3
• 申請日: 2016-08-25
• 公開（公告）號: CN106271025B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 姬書得;張利國;馬琳;楊占鵬;張哲;呂贊
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于攪拌摩擦焊技術領域，特別是涉及一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法。

背景技術

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所在1991年提出的全新的固相焊接技術，其具有優質、節能、無污染等優點，在航空、航天、汽車、船舶等領域已有諸多應用對象。

目前，攪拌摩擦焊技術已經成熟地應用于鋁合金等低熔點金屬材料，同時相關技術人員也開始嘗試將攪拌摩擦焊技術應用于鈦合金、鋼、鎳基高溫合金等高熔點金屬材料。

以鈦合金為例，在對鈦合金實施常規攪拌摩擦焊接時，由于鈦合金具有低導熱系數的特點，這會導致焊縫區域在厚度方向上存在著較大的溫度梯度，而較大的溫度梯度不但會使沿厚度方向的組織不均勻，而且在焊縫的中下部極易出現撕裂型缺陷。再有，在鈦合金的常規攪拌摩擦焊接過程中，較大的作用力與高焊接溫度會使攪拌頭的磨損情況十分嚴重。因此，如果不能有效的解決上述問題，會嚴重限制攪拌摩擦焊技術的應用范圍。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法，能夠實現較低溫度峰值下的攪拌摩擦焊接，能夠有效避免撕裂型缺陷的發生，有效降低攪拌頭磨損，有效提高攪拌摩擦焊接效率。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法，包括如下步驟：

步驟一：將待焊工件進行水平固定裝夾，在待焊工件下方的焊縫區域兩側對稱設置兩個加熱器，在攪拌頭外側設置一個激冷保護氣護罩，激冷保護氣護罩與攪拌頭進行隨動；

步驟二：啟動加熱器，通過加熱器對待焊工件的背面進行加熱，同時保證待焊工件的上表面溫度不高于250℃；

步驟三：向激冷保護氣護罩內通入激冷保護氣，激冷保護氣護罩的覆蓋范圍包含焊縫區域及加熱器正上方的待焊工件上表面區域；

步驟四：啟動攪拌摩擦焊設備，攪拌頭開始旋轉，攪拌頭旋轉速度的取值范圍在5～10000r/min之間，控制旋轉的攪拌頭扎入待焊工件，攪拌頭的旋轉速度根據待焊工件的溫度要求進行設定，攪拌頭扎入速度的取值范圍在1～5mm/min之間；

步驟五：當攪拌頭的軸肩端面與待焊工件的上表面接觸后，攪拌頭繼續下壓一段距離后再停止扎入動作，下壓距離的取值范圍在0～0.3mm之間，直到達到設定的扎入深度；

步驟六：在設定的扎入深度下控制攪拌頭繼續旋轉一段時間，旋轉時間的取值范圍在0～20s之間，使待焊工件的焊縫區域得到充分預熱并使其達到良好的塑性狀態；

步驟七：控制攪拌頭以設定的焊接速度完成焊縫區域的焊接工作，攪拌頭的焊接速度取值范圍在1～1000mm/min之間，攪拌頭的焊接速度根據待焊工件的焊接要求進行設定。

所述激冷保護氣護罩包括前段罩體和后段罩體，前段罩體為倒錐形筒式結構，后段罩體為方形箱式結構，前段罩體套裝于攪拌頭的外側，前段罩體的頂端固連在攪拌摩擦焊設備上；在所述后段罩體的頂部設置有保護氣進氣孔，在保護氣進氣孔下方的后段罩體內側設置有通氣篩板；所述保護氣進氣孔通過導氣管與保護氣氣源相連通，在保護氣進氣孔與保護氣氣源之間連接有冷卻器。

所述激冷保護氣護罩下表面與待焊工件上表面的具有間距，間距的取值范圍在0～1mm之間。

在所述前段罩體上設置有觀察口，通過觀察口查看攪拌頭與待焊工件上表面的相對位置。

所述導氣管采用保溫管，在所述激冷保護氣護罩內表面貼覆有保溫層。

所述加熱器安裝在移動式支撐定位底座上，所述移動式支撐定位底座包括底板、軌道槽及支撐滑塊，在底板中部設置有焊縫承力區，所述軌道槽分布在焊縫承力區兩側，軌道槽與待焊工件的焊縫相垂直；所述支撐滑塊位于軌道槽內，支撐滑塊與軌道槽直線滑動配合，支撐滑塊與底板之間設置有定位鎖緊螺栓；所述加熱器固定安裝在支撐滑塊上表面，在加熱器外側設置有工件裝夾調整墊片，待焊工件通過工件裝夾調整墊片進行近焊縫位置裝夾。

所述加熱器上表面與待焊工件下表面的具有間距，間距的取值范圍在0～1mm之間。

所述焊縫承力區的寬度大于攪拌頭的軸肩直徑，兩者差值的取值范圍在0～2mm之間。

本發明的有益效果：

本發明與現有技術相比，在焊接過程中，通過加熱器對待焊工件進行背面加熱，能夠有效減小焊縫區域在厚度方向上的溫度梯度，有效改善組織的不均勻性，同時還可降低局部區域的焊接應力，防止焊縫的中下部出現撕裂型缺陷。