专利名称：等离子弧－搅拌摩擦复合焊接方法
技术领域：
本发明属于焊接领域，具体涉及一种等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊接的基本原理如专利US 5,460,317所述，在搅拌摩擦焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。连接材料包括金属及其合金、复合材料、塑料等等。虽然搅拌摩擦焊接的方法在一定范围内可以实现对材料的有效连接，但当涉及厚板或难焊材料的连接问题时，仅靠摩擦产热难以满足要求。
一种改进的搅拌摩擦焊接方法如专利EP1430986所述，该方法通过在搅拌头与工件间施加电流的方法，利用电阻热结合摩擦热使待焊材料有效塑化，从而降低焊接阻力。这种方法需要在搅拌头表面沉积陶瓷层来提高接触电阻，因而工艺复杂，并且沉积层易于剥落。此外要求搅拌头和工件的材料必须导电，这对于一些不导电的材料的使用受到限制。
另一种改进的搅拌摩擦焊接方法如专利WO99/39861所述，该方法通过在搅拌头前方装一感应线圈，利用感应加热使待焊材料有效塑化，其缺点是感应线圈在加热工件的同时也不可避免地使搅拌头、夹具等部件被加热，降低其使用寿命，而且感应加热只适用于导磁材料，不能用于非导磁材料。
此外，另一种改进的搅拌摩擦焊接方法如专利US2005/0029330所述，该方法采用激光作为辅助热源，通过激光产热与搅拌头摩擦产热的共同作用实现材料的焊接。但由于工件表面对激光的反射作用较强使得激光的利用率较低。为提高激光的利用率，另一种改进的搅拌摩擦焊接方法如专利EP01/08345所述，该方法采用预先在工件上开坡口的方法来增加激光的利用率，但增加了焊前准备的工作量，而且坡口的存在减少了焊接区域的金属量，增加了焊缝表面的凹陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有方法存在工艺复杂、焊接效率低的问题，提出一种等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，它能够实现金属材料以及非金属材料的可靠连接，既能保证焊接质量，又能够提高焊接效率，而且该发明工艺简单，易于实现。本发明按照如下步骤对工件进行焊接采用等离子枪作为辅助加热热源，通过等离子枪形成的等离子弧产生的热量使待焊工件在搅拌头经过之前得到充分预热，焊接时，搅拌头在电机驱动下高速旋转并沿待焊工件的对接面压入待焊工件，当搅拌头的轴肩与待焊工件紧密接触后，搅拌头沿对接面向前移动实现焊接，焊接区域在搅拌头产生的摩擦热与等离子弧产生的辅助热量共同作用下发生塑化，在搅拌头后部形成焊缝。
本方法利用搅拌头产生的摩擦热与等离子弧产生的辅助热量使待焊工件有效塑化，辅助热源的引入，一方面可以使待焊材料更好地塑化，从而更容易地实现连接，而且可以提高焊接效率；另一方面，辅助热源可以弥补搅拌头摩擦产热不足的问题，特别是当涉及厚板材料或难焊材料的连接时，辅助热源的加入是很必要的。
图1为以等离子弧作为辅助热源的搅拌摩擦焊接方法的工作原理图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1所示，本实施方式按照如下步骤对工件进行焊接待焊工件3通过夹具被固定在工作台上，在搅拌头1前进方向上设置等离子枪2作为辅助加热热源，搅拌头1与等离子枪2固定在同一构架上，使等离子枪2协同搅拌头1同时向前运动，通过等离子枪形成的等离子弧产生的热量使待焊工件3在搅拌头1经过之前得到充分预热，等离子枪2与搅拌头1之间的位置以及与待焊工件3表面的距离可以通过预热温度给定与检测装置5得到调节。焊接时，搅拌头1在电机驱动下高速旋转并沿待焊工件3的对接面6压入待焊工件3，当搅拌头1的轴肩与待焊工件3紧密接触后，搅拌头1沿对接面6向前移动实现焊接，焊接区域在搅拌头产生的摩擦热与等离子弧产生的辅助热量共同作用下发生塑化，在搅拌头1后部形成焊缝4。对于不导电的材料，直接采用非转移型等离子弧加热；对于导电的材料，可以采用转移型或非转移型等离子弧加热。辅助热源在焊接过程中起到预热的作用，预热温度通过热偶或红外测温的方法在焊接过程中进行检测。
在本实施方式中，作为辅助加热的热源为等离子枪所产生的等离子弧，它可以从待焊工件的任何位置对待焊工件进行预热(例如搅拌头的前面或后面，待焊工件上面、下面或侧面)，等离子枪可以垂直于待焊工件，也可以与待焊工件之间存在一定的夹角；待焊工件的预热温度比其自身熔化温度低100℃以上，其中待焊材料包括金属材料(铝合金、铜合金、镁合金、钛合金或钢等)和非金属材料(塑料等)。
此外，本实施方式的预热温度通过预热温度给定与检测装置进行控制，预热温度给定与检测装置通过改变等离子弧的电流、弧长以及加热位置实现预热温度控制，预热温度通过热偶或红外形式进行检测。
具体实施方式
二本实施方式采用2219-T6铝合金作为被焊材料，试样尺寸为300mm×100mm×5mm，接头形式为对接。采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头轴肩直径14mm，搅拌针长4.8mm。采用直流等离子弧作为辅助热源，等离子枪至搅拌头距离为15mm，等离子弧电流为5A，弧长为5mm。在此预热条件下，搅拌头转速为800rpm，焊接速度最高至400mm/min时，接头中无任何焊接缺陷。铜合金、镁合金的焊接工艺与铝合金的焊接工艺相似。
在不采用辅助热源的情况下，当搅拌头转速为800rpm、焊接速度超过200mm/min时，由于待接材料不能有效塑化而在焊缝中出现空洞缺陷。
具体实施方式
三本实施方式采用LF6铝合金为焊接材料，试样尺寸为300mm×100mm×8mm，接头形式为对接。采用锥形螺纹搅拌头，搅拌头轴肩直径为25mm，搅拌针长为7.8mm。采用直流等离子弧为辅助热源，等离子枪至搅拌头距离为12mm，等离子弧电流为10A，弧长5mm。在此预热条件下，搅拌头转速为1000rpm，焊接速度最高至150mm/min时，接头中无任何焊接缺陷。
在不采用辅助热源的情况下，当搅拌头转速为1000rpm、焊接速度超过50mm/min时，由于待接材料不能有效塑化而不能实现连接。
具体实施方式
四本实施方式采用TC4钛合金作为被焊材料，试样尺寸为300mm×100mm×3mm，接头形式为对接。采用柱形无螺纹搅拌头，搅拌头轴肩直径为30mm，搅拌针长为2.8mm。采用直流等离子弧作为辅助热源，等离子枪至搅拌头距离为15mm，等离子弧电流为15A，弧长为5mm。在此预热条件下，搅拌头转速为800rpm，焊接速度最高至200mm/min时，仍能实现接头的有效连接。钢工件的焊接工艺与钛合金的焊接工艺相似。
在不采用辅助热源的情况下，当搅拌头转速为800rpm、焊接速度超过100mm/min时，由于待焊接材料不能有效塑化而发生搅拌头断裂现象。
权利要求
1.一种等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于它按照如下步骤进行焊接采用等离子枪作为辅助加热热源，通过等离子枪形成的等离子弧产生的热量使待焊工件在搅拌头经过之前得到充分预热，焊接时，搅拌头在电机驱动下高速旋转并沿待焊工件的对接面压入待焊工件，当搅拌头的轴肩与待焊工件紧密接触后，搅拌头沿对接面向前移动实现焊接，焊接区域在搅拌头产生的摩擦热与等离子弧产生的辅助热量共同作用下发生塑化，在搅拌头后部形成焊缝。
2.根据权利要求1所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于待焊工件的预热温度比其自身的熔化温度低100℃以上。
3.根据权利要求1或2所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于待焊工件的材料为金属材料或非金属材料。
4.根据权利要求3所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于金属材料为铝合金、铜合金、镁合金、钛合金或钢。
5.根据权利要求3所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于非金属材料为塑料。
6.根据权利要求1所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于作为辅助加热的热源为等离子枪所产生的等离子弧，等离子弧预热方式为从待焊工件的任意位置对其进行预热。
7.根据权利要求1所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于作为辅助加热的热源为等离子枪所产生的等离子弧，对于不导电材料，采用非转移型等离子弧加热；对于导电材料，采用转移型或非转移型等离子弧加热。
8.根据权利要求1所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于预热温度通过预热温度给定与检测装置进行控制。
9.根据权利要求8所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于预热温度给定与检测装置通过改变等离子弧的电流、弧长以及加热位置实现预热温度控制。
10.根据权利要求8所述的等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于预热温度通过热偶或红外形式进行检测。
全文摘要
一种等离子弧－搅拌摩擦复合焊接方法，它属于焊接领域。针对现有方法存在工艺复杂、焊接效率低的问题，本发明是这样实现的采用等离子枪作为辅助加热热源，通过等离子枪形成的等离子弧产生的热量使待焊工件在搅拌头经过之前得到充分预热，焊接时，搅拌头在电机驱动下高速旋转并沿待焊工件的对接面压入待焊工件，当搅拌头的轴肩与待焊工件紧密接触后，搅拌头沿对接面向前移动实现焊接，焊接区域在搅拌头产生的摩擦热与等离子弧产生的辅助热量共同作用下发生塑化，在搅拌头后部形成焊缝。本方法能够实现金属材料以及非金属材料的可靠连接，既能保证焊接质量，又能够提高焊接效率，而且该发明工艺简单，易于实现。
文档编号B23K28/00GK1714983SQ200510010169
公开日2006年1月4日 申请日期2005年7月11日 优先权日2005年7月11日
发明者刘会杰, 冯吉才, 陈迎春 申请人:哈尔滨工业大学