专利名称：超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料连接方法，特别涉及一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置。
背景技术：
搅拌摩擦焊(Friction stir welding简称FSW)是1991年英国焊接研究所发明的一项固相连接技术，具有焊接变形小、焊接质量高和绿色无污染等优点，被称为“21世纪 最具革命性的连接技术”。但是由于焊接过程中，搅拌头受到巨大的轴向下压力和水平剪切力，其焊接速度受限，搅拌头磨损严重，对搅拌摩擦焊设备和工装卡具也提出了很高的要求。国内外学者通过采用移动式感应线圈、电阻热、激光能或等离子弧做等附加辅助热源的方法来改善焊接环境，但是他们具有适用范围窄、效率低或者可使用工艺参数少等缺点。超声波是声波的一种,具有频率高、穿透能力强等特点。实验证明，当超声施加于材料时，会改变材料的本构关系，降低其变形抗力，因此有人提出通过在搅拌摩擦焊的过程中复合超声来改善焊接环境，从而可以提高焊接速度和焊接质量。中国专利CN 1836820A公开了一种金属的焊接方法和装置，将轴向振动或扭振的超声振动引入搅拌摩擦焊接过程，用高频机械振动能量驱动高速转动中的搅拌摩擦焊头作高频振动，搅拌头将振动能传给焊接区塑性金属，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织实现金属的焊接。其主要技术特征是把搅拌针和超声的换能器变幅杆连为一体将超声振动的能量导入到焊缝深层，以期改善常规搅拌摩擦焊形成的上高下低的“漏斗状”温度场造成的焊缝底部材料塑性流动性差，焊接质量低的缺点，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织实现金属的焊接。但是这种设计，焊接时的下压力严重阻碍搅拌针的超声振动，并且对原有的搅拌摩擦焊机设备改动较大，系统制作复杂，而且超声振动系统要与搅拌针达到谐振状态，因此对于不同厚度工件，更换搅拌针的同时需要更换与其相匹配的超声振动系统，适应性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，在不改动原有设备的前提下，通过辅助装置直接将超声振动施加在搅拌针周围的待焊工件上的新工艺方法，利用超声振动来降低材料的变形抗力，从而达到提高焊接速度，改善焊接质量。同时提供了用于实现这一工艺方法的焊接装置。本发明采取的技术方案为超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入，再有搅拌头沿焊接方向焊接。上述工艺中，所述的变幅杆优选振动频率2(Tl00kHz，振幅KTlOO U m,工具头距搅拌头轴线10 50毫米，可调。
搅拌头转速优选300-1000r/min,焊接速度60-400mm/min,轴肩下压量
0.02-0. 2mm。超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，包括带搅拌头的搅拌摩擦焊机、超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头，后三者组成振动单元，超声波发生器通过信号传输线连接振动单元，换能器与变幅杆相连，变幅杆再连着工具头，二者均通过双头螺柱连接，工具头的超声振动导入点在搅拌头前方的待焊接区域，振动单元通过定位卡具与搅拌摩擦焊机固定。所述的定位卡具具有多种形式，其功能是将振动单元固定并具有足够的稳定性，固定好之后可以保证工具头紧压在搅拌针周围的待焊工件上。其中一种定位卡具结构如下包括长方体框架、连接片、圆柱夹具，长方体框架包括前夹板、后夹板，前夹板、后夹板之间为搅拌摩擦焊机上部挡板，前、后两个夹板通过特型双头螺柱与搅拌摩擦焊机上部挡板紧配合(面接触)，前夹板中间偏上位置安装一个齿轮轴，前夹板前面挂一连接片，连接片上有带齿条的槽和定位槽，齿轮轴与连接片上带齿条的槽形成齿轮齿条配合，圆柱夹具与连接片焊接成一体，所述的连接片通过穿过定位槽和前挡板的紧固螺栓固定。定位卡具亦可采用上述长方体框架与丝杠组合的方式，即用丝杠来替代连接片实现上下调节的功能。定位卡具亦可在挡板上方沿焊接方向水平固定一导轨，导轨上有滑块，滑块再与竖直的丝杠组合，实现各个方向的调节。定位卡具亦可将上述的丝杠改成齿轮齿条机构。所述的工具头与水平面呈30° — 70°夹角，可在定位卡具中增加一活动铰链机构来调整角度，也可以换用不同的连接片或者丝杠来改变夹角。所述的换能器采用压电型超声换能器，工具头采用工具钢、钛合金、硬质合金等既耐磨耐热又具有一定强度的材料，端面制成球面。焊接装置的工作过程如下首先通过超声波发生器将50Hz的工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头将超声波传导入搅拌针周围的待焊接区域。再用定位卡具将振动单元和搅拌摩擦焊机固定，使其在焊接过程中随着搅拌头沿着待焊接缝向前滑动，从而实现了超声辅助搅拌摩擦焊工艺过程。超声振动与材料的相互作用能降低材料的变形抗力，提高材料的塑性流动性，从而达到降低焊接阻力，提高焊接效率和焊接质量，降低对搅拌摩擦焊设备的要求的目的。同时采用搅拌头与换能器变幅杆分体式的设计可以避免一体式设计搅拌针超声振动受巨大下压力阻碍的弊端，并且不改动原有设备，只需添加辅助设备即可使用，振动系统适用于各种规格搅拌头，对不同材料不同板厚都具有良好的适应性。本发明针对搅拌摩擦焊中存在的缺点，设计出直接将超声波施加到材料上的装置，通过超声波改变材料的本构关系，使材料的变形抗力下降，从而降低焊接过程中搅拌头受到的焊接阻力，提高焊接速度和焊接效率，改善焊接质量，扩大焊接参数可适用范围。与将超声换能器变幅杆和搅拌头耦合在一起方法相比，使用自行设计的定位卡具将系统集成后，不仅可以有效地保障振动系统的稳定性，还可以实现上下前后方向上的二维调节，易于调节工具头和搅拌头之间的距离，适合各种规格的搅拌头，具有广泛的适应性。和普通搅拌摩擦焊相比，搅拌摩擦焊中超声振动的作用主要体现在一下三个方面
(I)辅加超声可以在较小的轴肩压力下获得良好的焊缝成形，从而可以降低搅拌摩擦焊对设备的要求。(2)辅加超声可以在提高焊接速度的情况下获得良好的焊缝成形，有助于提高焊接效率。(3)辅加超声后接头微观组织中焊核区和热力影响区晶粒都有所细化，对改善焊缝组织有一定的积极影响，有助于提高焊缝的力学性能。
图I为本发明超声振动辅助搅拌摩擦焊装置结构图；图2为本发明实施例I定位卡具结构主视图；图3为本发明实施例I定位卡具结构左视图； 图4为长方体框架结构；图5为圆柱夹具结构；图6为本发明实施例I焊缝表面形貌；图7为本发明实施例2焊缝表面形貌；图8为本发明实施例I焊接材料焊核区微观组织结构图；图9为对比例I焊缝表面形貌；图10为对比例2焊缝表面形貌；图11为对比例I焊接材料焊核区微观组织结构图；图12为搅拌摩擦焊机挡板的位置图；其中，I.搅拌摩擦焊机，2.搅拌头，3.定位卡具，4.变幅杆，5.工具头，6.对接接缝，7.超声波发生器，8.换能器，9.控制面板，10.长方体框架，11.连接片，12.圆柱夹具，13.前夹板，14.后夹板，15.带齿条的槽，16.定位槽，17.齿轮轴，18.紧固螺栓，19.双头螺柱，20.挡板。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进一步说明。实施例I超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，包括带搅拌头2的搅拌摩擦焊机I、超声波发生器7、换能器8、变幅杆4、工具头5，超声波发生器7通过信号传输线连接振动单元，振动单元包括换能器8、变幅杆4、工具头5，换能器连着变幅杆，变幅杆再连着工具头，二者均通过双头螺柱连接，工具头的超声振动导入点在搅拌头前方的待焊接区域，振动单元通过定位卡具3与搅拌摩擦焊机I固定。所述的定位卡具包括长方体框架10、连接片11、圆柱夹具12，长方体框架10包括前夹板13、后夹板14,前夹板13、后夹板14之间为搅拌摩擦焊机I上部挡板20,前、后两个夹板通过特型双头螺柱19与搅拌摩擦焊机I上部挡板紧密配合(面接触)，前夹板13中间偏上位置安装一个齿轮轴17，前夹板13前面挂一连接片11，连接片11上有带齿条的槽15和定位槽16，齿轮轴17与连接片11上带齿条的槽15形成齿轮齿条配合，圆柱夹具12与连接片11焊接成一体，所述的连接片11通过穿过定位槽16和前挡板13的紧固螺栓18固定。所述的工具头5与水平面呈50°夹角。前夹板13、后夹板14以及四个特型双头螺柱19组成一个长方体框架10，将搅拌摩擦焊机I上搅拌头上前方的一块挡板套在里面并形成紧密配合。前后左右移动整个框架实现水平方向上的二维调节，移动到合适位置后分别用螺栓穿过前后两块夹板顶在挡板上，实现固定。前夹板13上安装的齿轮轴17与带齿条的槽15形成齿轮齿条配合，通过转动齿轮轴上的齿轮(安装在前夹板上)，可以上下调节圆柱夹具12，实现第三维调节。调节到所需位置后，将紧固螺栓18穿过定位槽后拧紧在前夹板上，可以压紧圆柱夹具，从而实现振动单元的固定。超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，用本实施例装置，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入，采用200 X 60 X 6mm的2A12铝合金焊接材料，变幅杆的振动频率20kHz，振幅40 u m,开启搅拌摩擦焊机搅拌头和超声波发生器，沿焊接方向进行对接焊，搅拌头转速《 =600r/min,焊接速度v=80mm/min,轴肩下压量0. 05mm。实施例2超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，包括带搅拌头2的搅拌摩擦焊机I、超声波发生器
7、换能器8、振动单元，超声波发生器7通过换能器8连接振动单元，振动单元包括变幅杆4，变幅杆4下面连着工具头5，工具头5的超声振动导入点在搅拌头前方的待焊接区域，振动单元通过定位卡具3与搅拌摩擦焊机I固定。所述的定位卡具包括长方体框架10、丝杠、圆柱夹具12，长方体框架10包括前夹板13、后夹板14,前夹板13、后夹板14之间为搅拌摩擦焊机I上部挡板20,前、后两个夹板通过特型双头螺柱19与搅拌摩擦焊机I上部挡板紧配合(面接触)，前夹板13中间偏上位置安装一个转子，转子与丝杠配合，转动转子可以实现丝杠的上下移动，丝杠下端焊接一圆柱夹具，其他部分与实施例I相同。用本实施例超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，采用200 X 60 X 6mm的2A12铝合金焊接材料，用超声波发生器带动变幅杆振动，变幅杆的振动频率20kHz，振幅40 y m，开启搅 拌摩擦焊机搅拌头和超声波发生器，沿焊接方向焊接，搅拌头转速《 =600r/min,焊接速度v=100mm/min,轴肩下压量 0. 05mm。对比例I采用200 X 60 X 6_的2A12铝合金焊接材料，用现有搅拌摩擦焊机，开启搅拌摩擦焊机搅拌头，沿焊接方向焊接，与实施例I焊接参数完全相同，区别在于不加超声。对比例2采用200 X 60 X 6mm的2A12铝合金焊接材料，用现有搅拌摩擦焊机，开启搅拌摩擦焊机搅拌头，沿焊接方向焊接，与实施例2焊接参数完全相同，区别在于不加超声。
权利要求
1.超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，其特征是，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入，再有搅拌头沿焊接方向焊接。
2.根据权利要求I所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，其特征是，所述的变幅杆振动频率2(Tl00kHz，振幅l(TlOOiim，工具头距搅拌头轴线10 50毫米。
3.根据权利要求I所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，其特征是，可选工艺参数范围搅拌头转速300-1000r/min，焊接速度60-400mm/min，轴肩下压量0. 02-0. 2mm。
4.超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，其特征是，包括带搅拌头的搅拌摩擦焊机、超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头，后三者组成振动单元，超声波发生器通过信号传输线连接振动单元，换能器与变幅杆相连，变幅杆再连着工具头，二者均通过双头螺柱连接，工具头的超声振动导入点在搅拌头前方的待焊接区域，振动单元通过定位卡具与搅拌摩擦焊机固定。
5.根据权利要求4所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，其特征是，所述的定位卡具包括长方体框架、连接片、圆柱夹具，长方体框架包括前夹板、后夹板，前夹板、后夹板之间为搅拌摩擦焊机上部挡板，前、后两个夹板通过特型双头螺柱与搅拌摩擦焊机上部挡板紧配合，前夹板中间偏上位置安装一个齿轮轴，前夹板前面挂一连接片，连接片上有带齿条的槽和定位槽，齿轮轴与连接片上带齿条的槽形成齿轮齿条配合，圆柱夹具与连接片焊接成一体，所述的连接片通过穿过定位槽和前挡板的紧固螺栓固定。
6.根据权利要求4所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，其特征是，所述的工具头与水平面呈30° — 70°夹角。
7.根据权利要求4所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，其特征是，所述的工具头端面制成球面。
8.根据权利要求4所述的超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，其特征是，所述的工具头为工具钢、钛合金或硬质合金。
全文摘要
本发明涉及一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入材料，再有搅拌头沿焊接方向焊接。与将超声换能器变幅杆和搅拌头耦合在一起方法相比，使用自行设计的定位卡具将系统集成后，不仅可以有效地保障振动系统的稳定性，还可以实现上下前后方向上的二维调节，易于调节工具头和搅拌头之间的距离，适合各种规格的搅拌头，具有广泛的适应性。
文档编号B23K20/26GK102744516SQ20121024417
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者刘小超, 张皓庭, 武传松 申请人:山东大学