[發明專利]一種背部穿透且超聲工具頭支撐輔助的攪拌摩擦焊接裝置

在審

• 申請號: 201910339793.2
• 申請日: 2019-04-25
• 公開（公告）號: CN109926710A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 石磊;武傳松;趙俊杰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發明涉及一種背部穿透且超聲工具頭支撐輔助的攪拌摩擦焊接裝置，包括帶長針攪拌頭的攪拌摩擦焊機、帶有孔槽與支撐平臺的超聲工具頭、變幅桿、換能器、超聲波發生器。通過帶有孔槽與支撐平臺的超聲工具頭與工件背部待焊區直接接觸，工具頭提供支撐作用且直接將超聲能量施加于攪拌針周圍的塑性剪切層內，利用超聲軟化效應，降低材料塑性變形抗力，增強其流動性，影響材料變形行為，避免接頭產生孔洞缺陷。采用與孔槽配合的長針攪拌頭穿透工件背部，從而徹底避免根部未焊合缺陷。通過上述方式，提高超聲能量利用率，增強焊縫根部材料的塑性變形與流動，改善了焊縫根部成形、細化了焊縫晶粒、提高了接頭的力學性能和臨界焊接速度與生產效率。

技術領域

本發明屬于攪拌摩擦焊接領域，特別是涉及一種背部穿透且超聲工具頭支撐輔助的攪拌摩擦焊接裝置。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

攪拌摩擦焊接是一種新型固相連接技術，具有接頭質量高、焊接變形小、焊接過程綠色環保等優點，在鋁合金、鎂合金等材料連接領域具有廣泛應用。攪拌摩擦焊接主要依靠攪拌頭與工件之間的摩擦熱和材料的塑性變形熱來軟化待焊區材料，使其流動形成接頭。但作為一種固相連接技術，攪拌摩擦焊接技術存在焊接載荷大、速度慢、效率低等問題。此外，在焊接工藝參數匹配不當或使用較高焊接速度時，攪拌區塑性材料軟化不足，流動不充分，不能及時填充攪拌頭后方空腔，就會在接頭內部產生孔洞缺陷。另一方面，由于攪拌摩擦焊接過程中，大部分的熱量依靠軸肩產生，導致焊縫根部產熱不足，加上攪拌針長度一般比工件厚度略小，不能完全插入工件底部，致使焊縫底部容易產生未焊合缺陷。上述孔洞及未焊合缺陷不僅降低了接頭組織的均勻性、減小有效承載面積，還會產生應力集中、誘發裂紋起源與擴展，嚴重影響接頭的使役性能，同時限制了攪拌摩擦焊接臨界焊接速度和效率的進一步提高。

為了解決上述問題，專利《CN1836820A》公開了一種從攪拌頭施加超聲能量的超聲輔助攪拌摩擦焊接方法，隨后專利《CN102744516A》公開了一種從攪拌頭前方工件施加超聲能量的方法，上述兩種方法均從工件上部施加超聲能量，超聲能量傳遞至焊縫根部時能量較弱，超聲能量利用率較低。為了提高超聲能量利用率，專利《CN105397277A》提出了在工件背部施加超聲能量的方法，但這種方法的超聲工具頭與攪拌頭同軸，大部分超聲能量作用于攪拌針之上，而并未作用于攪拌針周圍的塑性剪切層內。此外，由于攪拌針長度小于工件厚度，焊接過程中仍容易在焊縫根部產生未焊合缺陷。專利《CN105382405A》提出一種在工件背部使用帶有盲孔的靜止軸肩支撐，將長針攪拌頭傾斜穿透工件，但其方法采用特制的平移滑塊與導軌配合，只能進行直線焊縫的焊接，難以實現曲線焊縫的連接。此外，該方法未施加超聲能量，不能降低焊接載荷、提高焊接效率。

發明內容

為了克服上述問題，提高超聲能量的利用率以及超聲在焊縫根部的作用效果，同時徹底消除焊縫根部可能產生的未焊合缺陷，本發明提供了一種背部穿透且超聲工具頭支撐輔助的攪拌摩擦焊接裝置，使攪拌針能夠穿透工件，同時將超聲直接從工件背部施加于焊縫根部攪拌針周圍的塑性剪切層內，利用超聲振動能量降低材料的塑性變形抗力，提高其塑性流動性，從而解決在工藝參數不匹配或采用較高焊接速度的條件下，攪拌摩擦焊縫容易產生孔洞及未焊合的問題，進而提高攪拌摩擦臨界焊接速度和焊接效率，同時降低焊接載荷。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

一種背部穿透且超聲工具頭支撐輔助的攪拌摩擦焊接裝置，包括：長針攪拌頭(1)、帶有孔槽與支撐平臺的超聲工具頭(7)、變幅桿(6)、換能器(5)、超聲波發生器(4)，所述帶有孔槽與支撐平臺的超聲工具頭(7)的整體為塊狀結構，所述塊狀結構的頂部設置孔槽，所述帶有孔槽與支撐平臺的超聲工具頭(7)與變幅桿(6)、換能器(5)超聲波發生器(4)依次相連，所述換能器(5)設置在平臺上，所述長針攪拌頭(1)可穿過工件插入到孔槽中，并與攪拌摩擦焊機相連，所述平臺的兩側還設置有墊板(3)。