[發明專利]一種新型線性摩擦焊接方法及工具

在審

• 申請號: 201611254604.4
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106583915A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 李繼忠;任香會;譚錦紅;董春林
• 申請（專利權）人: 廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院）
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所44216
• 代理人: 劉卉

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，具體是涉及一種適用于同種或異種熱塑性材料的連接，尤其適用于平面或空間曲線焊縫的熱塑性材料連接的新型線性摩擦焊接方法及工具。

背景技術

摩擦焊接是20世紀發明的焊接方法，屬于固相連接技術，包括線性摩擦焊、慣性摩擦焊和攪拌摩擦焊，其中攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是1991年由英國焊接研究所（The Welding Institute）發明。線性摩擦焊是將兩種待焊件直接接觸，在輔助設備連續驅動作用下使焊接處材料在摩擦熱作用下實現熱塑性材料的固相連接。攪拌摩擦焊是使用攪拌頭作為摩擦介質，在焊接過程中，利用高速旋轉的攪拌頭插入待焊接區域，利用攪拌頭與工件之間的摩擦和劇烈塑性變形產生的熱量，使攪拌區域內的待焊材料處于熱塑性狀態并使其趨于熔化，當攪拌針完全扎入工件并且軸肩接觸到工件表面時，攪拌頭停止軸向運動并開始沿著焊縫方向移動，在攪拌針和軸肩對待焊材料的摩擦、攪拌和鍛壓作用下形成固相鏈接的接頭，攪拌頭的主要結構包括夾持柄（攪拌頭與動力系統的連接部分）、軸肩和攪拌針。目前世界主要發達國家都在從事摩擦焊接領域的研發工作，該技術尤其適用于航天航空、船舶、軌道交通、汽車等領域。由于摩擦焊是在低于材料的熔化溫度下實現連接，待焊材料并未達到熔化狀態，因此焊后焊縫收縮變形小、力學性能損失低，在低熔點合金，尤其是鋁合金焊接過程中具有突出的優點。

線性摩擦焊和攪拌摩擦焊已應用于工業生產中，但也存在一些問題。線性摩擦焊在焊接過程中需要將摩擦界面熱塑性材料不斷被擠出才能實現焊接，這就需要對焊件接頭處進行再加工。此外，線性摩擦焊是對焊件施加運動，使摩擦界面產生熱塑化金屬以實現固相連接，因此只適用于較小工件的焊接，不適合大焊件、長焊縫的焊接。

攪拌摩擦焊是通過攪拌工具使焊接區材料達到熱塑性狀態，焊接過程中需要將攪拌頭與焊縫保持1～3°的夾角，在平面二維或空間曲線焊接時需要調整攪拌頭的傾斜方向才能實現焊接，對設備的要求較高。并且由于焊接傾角和攪拌頭具有一定的壓入量，焊后焊縫出現一定的減薄量，這容易導致焊接接頭強度低于實際值。其次，受攪拌頭軸肩的影響，攪拌摩擦焊不適合不等厚材料的焊接。此外，由于軸肩旋轉產生的熱量較大，焊后工件仍有一定的變形量。

發明內容

本發明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種結構簡單、使用安全可靠，可實現無傾角和無飛邊摩擦焊，方便實現平面或空間曲線的焊接，大幅提高焊接效率的新型線性摩擦焊接方法及工具。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明所述的新型線性摩擦焊接方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一：將焊接工具通過其夾持柄連接在焊接設備的動力裝置上；

步驟二：將待焊工件安裝固定在夾具上，并將焊接工具的摩擦桿置于待焊工件的待焊處；

步驟三：啟動焊接設備，焊接設備的動力裝置使焊接工具沿焊接方向移動的同時作上下振動，通過焊接工具上摩擦桿的上下振動以及沿焊接方向的進給速度而與待焊工件摩擦產生熱量，使待焊工件位于摩擦區域內達到塑化狀態，且塑化后的材料由摩擦桿的前進方向向后移動，同時在焊接工具的上肩部和下肩部的上下振動過程中實現對焊縫塑化材料的鍛壓，并在夾具側向壓力的作用下實現塑化后的材料的融合，最終實現待焊工件的固相連接。

其中，所述摩擦桿的長度等于振幅與待焊工件的厚度之和。

所述摩擦桿既可以與待焊工件的待焊處的切線垂直以實現無傾角焊接，也可以與待焊工件的待焊處的切線保持一定的傾角。而且，當采用無傾角焊接平面二維焊縫時，在焊縫轉彎處不需要調整摩擦桿的角度；當采用無傾角焊接空間曲線焊縫時，只需將摩擦桿與待焊處的法線方向保持平行即可。

當待焊工件為不等厚或厚度變化不均勻的焊件時，既可以將焊接工具的上肩部和下肩部設置有一定的傾角，也可以將焊接工具的上肩部和下肩部設計成相應結構以適應待焊工件的厚度變化。

所述待焊工件的材料既可以是同質，也可以是異質。

本發明所述的新型線性摩擦焊接工具，包括焊接工具本體，其特點是：所述焊接工具本體包括夾持柄、上肩部、摩擦桿和下肩部，其中所述摩擦桿固定連接在上肩部與下肩部之間，所述夾持柄的下端固定連接在上肩部的頂面上，所述焊接工具本體通過夾持柄與焊接設備的動力裝置連接并在焊接設備的動力裝置的帶動下沿焊接方向移動的同時作上下振動。

其中，所述摩擦桿的橫截面形狀為圓形、方形、橢圓形或流線形。

所述摩擦桿的摩擦面上設置有流線形溝槽。