[發(fā)明專利]攪拌摩擦焊焊具及降低焊縫表面殘余應(yīng)力的焊接方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910252413.1
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109986194A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張會杰;孫舒蕾;梅瑞斌;張欣;汪應(yīng)玲;李星玥
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)秦皇島分校
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 北京力量專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 宋林清

本發(fā)明目的在于提供一種攪拌摩擦焊焊具及降低焊縫表面殘余應(yīng)力的焊接方法，以解決焊縫表面殘余應(yīng)力過大的技術(shù)問題；其結(jié)構(gòu)包括攪拌針和軸肩，軸肩設(shè)置有圓柱；圓柱與軸肩具有相同的軸線；攪拌針與圓柱的下端面以同軸線的方式固定連接。所述方法包括如下步驟：步驟1：將焊具與焊機的主軸同軸線緊固連接；并將被焊母材固定在焊接平臺上；步驟2：啟動焊機，焊機主軸旋轉(zhuǎn)，從起焊點向被焊母材上表面移動并逐漸扎入被焊母材；待圓柱的下端面扎入被焊母材上表面，直至攪拌摩擦焊焊具的軸肩的下端面與被焊母材上表面相接觸時，焊機主軸停止向下移動，并開始以平動的方式沿焊接軌跡行進(jìn)。本發(fā)明能夠大幅改進(jìn)攪拌摩擦焊的焊接效果，無需外接輔助工具。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種攪拌摩擦焊焊具及降低焊縫表面殘余應(yīng)力的焊接方法。

背景技術(shù)

攪拌摩擦焊是一種高質(zhì)量的固相焊接方法。其基本原理是，高速旋轉(zhuǎn)的焊具扎入被焊母材，直至焊具軸肩端面嵌入到母材上表面一定深度，而后焊具沿著焊接方向前進(jìn)，對被焊母材施加摩擦熱和鍛壓力，促使材料發(fā)生塑性流動并形成固態(tài)焊縫。焊具自身結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致攪拌摩擦焊過程中熱量輸入上高下低且材料塑性變形上強下弱，不均勻的焊接熱力作用導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這其中，尤以作為主要熱源的焊具軸肩所形成的焊縫表面的殘余應(yīng)力最為顯著。由于焊接中焊具軸肩端面需要對被焊母材表面嵌入一定深度，導(dǎo)致焊縫邊緣往往就是應(yīng)力集中位置，在疲勞載荷作用下，容易成為裂紋萌生開裂的薄弱區(qū)域。

一直以來，人們都試圖采取各種措施來降低攪拌摩擦焊縫表面的應(yīng)力水平，提高接頭的服役性能。申請?zhí)枮镃N201620461245.9的發(fā)明專利公開了一種電磁振蕩輔助攪拌摩擦焊裝置，通過將電磁振動的能量導(dǎo)入到焊縫深層，達(dá)到減小焊縫殘余應(yīng)力的目的。申請?zhí)枮镃N205520064的專利提出了一種能夠降低焊接應(yīng)力的攪拌摩擦焊裝置，將攪拌摩擦焊和脈沖電流結(jié)合起來，在焊后對零件直接進(jìn)行脈沖電流處理，來消除焊縫殘余應(yīng)力。申請?zhí)枮镃N201010120295.8的專利開發(fā)了一種攪拌摩擦焊接表面殘余應(yīng)力控制方法及裝置，采用可跟隨焊具移動的保溫箱，對處于焊接后的焊縫及母材進(jìn)行保溫，隨即進(jìn)行隨爐冷卻，以此降低焊縫表面殘余應(yīng)力。申請?zhí)枮镃N200910072036.X的專利研發(fā)了一種隨焊拋光多功能攪拌摩擦焊焊具，該焊具可清除焊縫兩側(cè)飛邊、改善焊縫表面光潔度、細(xì)化焊縫表面晶粒并消除應(yīng)力集中。申請?zhí)枮镃N103028838A的專利提出了一種電磁塑性攪拌摩擦焊方法，通過在焊接中對被焊材料施加輔助電流實現(xiàn)了降低變形工件殘余應(yīng)力的目的。

綜合來看，現(xiàn)有方法大多采用較為復(fù)雜的焊接輔助裝置，通過在焊接中或焊后對被焊工件施加額外的熱能或機械能，來改善攪拌摩擦焊縫的應(yīng)力狀態(tài)。而這些方法普遍顯示出成本高、流程繁瑣的特點。

減弱焊具軸肩對被焊材料的熱機作用是降低攪拌摩擦焊縫應(yīng)力水平的有效措施。本發(fā)明從這個角度著手，以開發(fā)低成本、高效率、高質(zhì)量的低應(yīng)力攪拌摩擦焊接方法為導(dǎo)向目標(biāo)，提出了一種采用階梯式外凸軸肩焊具降低攪拌摩擦焊縫表面殘余應(yīng)力的方法。

因此，針對上述問題研發(fā)一款攪拌摩擦焊焊具及應(yīng)用該焊具降低焊縫表面殘余應(yīng)力的焊接方法，以克服上述技術(shù)缺陷中的至少一種成為一種必需。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種攪拌摩擦焊焊具及降低焊縫表面殘余應(yīng)力的焊接方法，通過在軸肩面向攪拌針一側(cè)的端面設(shè)置凸起的圓柱，以解決現(xiàn)有技術(shù)中攪拌摩擦焊焊具存在的，焊接后焊縫表面殘余應(yīng)力過大的技術(shù)問題。

一方面，本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊焊具，包括攪拌針，還包括軸肩，所述軸肩用于面向所述攪拌針一側(cè)的端面，設(shè)置有相對于所述軸肩端面凸起的圓柱；所述圓柱與所述軸肩具有相同的軸線；所述攪拌針與所述圓柱的下端面以同軸線的方式固定連接。

進(jìn)一步地，所述軸肩面向所述攪拌針一側(cè)未凸起的端面，內(nèi)凹成圓臺的側(cè)面；所述圓臺的母線與所述圓臺的底面所成線面角范圍為0.5°至10°。

進(jìn)一步地，所述圓柱外凸端面的邊緣設(shè)置有半徑范圍為0.1至0.5mm的圓角。