[發明專利]一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置

有效

• 申請號: 201710566031.7
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107160029B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 秦國梁;江海紅;敖志勇;周軍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/14;B23K20/26
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 任歡

本發明公開了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接方法及裝置，它解決了現有技術中鋼鐵、鎳基合金、鈦合金等高熔點材料攪拌摩擦焊接成本高、攪拌頭壽命低的問題，使待焊區域達到半固態或超塑性狀態，可大幅度降低高熔點材料的流變抗力、降低焊接力矩、降低對攪拌頭性能的要求，進而降低攪拌頭磨損、提高攪拌針壽命。其技術方案為：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，攪拌頭旋轉插入工件對接或搭接焊縫中且攪拌頭可移動；用于向工件提供熱量在工件表面形成附加熱源加熱區域的附加熱源部件，附加熱源部件設于攪拌頭的前方，且距離攪拌頭設定距離；氣體保護裝置，氣體保護裝置位于附加熱源加熱區域側上方和/或攪拌頭前方。

技術領域

本發明涉及焊接領域，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

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所(The WeldingInstitute)于1991年發明的一種固相焊焊接技術。與傳統熔焊相比，攪拌摩擦焊接具有接頭缺陷少、質量高、變形小，以及焊接過程綠色、無污染等顯著優點，在航空、航天、船舶、核工業、兵器工業、交通運輸等工業制造領域具有廣闊的應用前景。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，通過攪拌針的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦產熱，進而使連接部位的材料升溫達到高溫塑性狀態。在焊接過程中，旋轉攪拌頭(主要為軸肩)與工件表面摩擦產熱，使攪拌頭前進側的材料發生強塑性變形，隨著攪拌頭的移動，高溫塑性變形的材料產生塑性流動，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世以來最引人注目的焊接方法，主要用于焊接低熔點的材料，比如鋁合金、鎂合金等。它的出現使鋁合金等有色金屬的連接發生重大變革，使用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的工程應用。在工業化生產應用中，對低熔點合金材料攪拌摩擦焊工藝的研究，已經很成熟。但對于鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點材料的攪拌摩擦焊接技術研究仍有很多問題亟待解決，主要問題在于攪拌頭高溫強度的限制，使得攪拌頭壽命低、焊接成本很高。

因此，為了進一步發展攪拌摩擦焊接工藝在鋼鐵、鈦合金、鎳基合金等高熔點材料中的應用，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。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種附加熱源輔助攪拌摩擦焊接裝置，該焊接裝置通過附加熱源對工件加熱，熔化冷卻至半固態或超塑性狀態，或者直接加熱工件待焊部位達到半固態或超塑性狀態，然后對半固態和超塑性狀態的高熔點材料進行攪拌摩擦焊接，可在很大程度上降低高熔點材料的流變抗力，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，攪拌頭旋轉插入工件對接或搭接焊縫中且攪拌頭可移動；

用于向工件提供熱量在工件表面形成附加熱源加熱區域的附加熱源部件，附加熱源部件設于攪拌頭的前方，且距離攪拌頭設定距離，附加熱源部件與工件上表面的夾角為α，30°≤α≤90°；

氣體保護裝置，氣體保護裝置位于附加熱源加熱區域側上方和/或攪拌頭前方，用于對焊接區域通入保護氣體。附加熱源部件與攪拌頭存在設定距離，能夠使高熔點材料的工件熔化，然后冷卻至半固態或超塑性狀態或者直接加熱至半固態或超塑性狀態。

上述裝置中所述附加熱源輸出裝置通過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，保持設定角度但是同步移動，通過附加熱源輔助加熱待焊工件，使待焊區域達到半固態或者超塑性狀態或者直接加熱至半固態或超塑性狀態，可在很大程度上降低高熔點材料的流變抗力，降低攪拌頭承受的焊接力矩、減輕攪拌頭磨損，進而提高攪拌針壽命、降低焊接成本。