一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法
【专利摘要】本发明涉及一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，两个焊件放置于同一水平面上，且两个焊件之间设有一定的间隙，该间隙内放置垂直补偿材料，控制搅拌头以500～5000rpm的转速转动，搅拌针扎入焊件的待焊部位；当搅拌针达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎继续旋转1～5分钟，搅拌头以50～1500mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向向前移动，直到焊接完成。搅拌头的轴肩与搅拌针尺寸随待焊板材以及补偿材料的尺寸变化而变化，保证焊接过程中材料有足够的热输入以及材料流动，获得质量优异的焊接头；搅拌头使补偿材料与待焊材料之间充分的搅拌与混合，实现常规搅拌摩擦焊方法难以实现的大间隙对接接头的焊接。
【专利说明】一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接领域，尤其是一种能解决焊缝间隙过大的垂直补偿搅拌摩擦焊接工艺方法。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊在英国TWI在1991年发明的一种新型固相连接技术。与常规熔焊方法相比，搅拌摩擦焊具有低应力、小变形、低能耗、绿色无污染等优点。当然，任何一种焊接方法既存在自己的优点也存在本身的缺点，而搅拌摩擦焊则存在背面须有足够的刚性支撑、带表面的弧纹的凹陷等缺点。事实上，这些缺点的存在推动了搅拌摩擦焊技术的发展，目前国内外的研究者以搅拌摩擦焊为基础，发明了众多的新搅拌摩擦焊方法以适应不同的实际工业需求，比如双轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、静止轴肩搅拌摩擦焊、水平补偿搅拌摩擦焊。
[0003]搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果。现如今在英、美等国正进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊在航空航天工业领域有着良好的应用前景。
[0004]但是由于铝合金等材料制造业水平的限制，我国生产金属板材(或型材等)的形位公差的稳定性较差，导致在结构件的沿焊缝方向上存在较大的间隙，且间隙往往随着金属结构件待焊缝长度的增加而增加。而对于搅拌摩擦焊来讲，对接焊缝的间隙不能超过板厚的1/10，否则无法保证焊件的质量。因此，在实际焊接过程中，结构件间的间隙过大问题是目前企业急需解决的问题，它对搅拌摩擦焊的实际工程应用的推广存在一定的阻碍作用。鉴于此，这里提出一种解决焊缝间隙过大的垂直补偿搅拌摩擦焊工艺方法。
[0005]鉴于此提出本发明。
【发明内容】
[0006]本发明的目的为克服现有技术的不足，提供一种能解决焊缝间隙过大的垂直补偿搅拌摩擦焊接工艺方法，搅拌头的轴肩与搅拌针尺寸随待焊板材以及补偿材料的尺寸变化而变化，不同尺寸的焊件选择不同尺寸的搅拌头，保证焊接过程中材料有足够的热输入以及材料流动，以获得质量优异的搅拌摩擦焊接头；搅拌头使补偿材料与待焊材料之间充分的搅拌与混合，实现常规搅拌摩擦焊方法难以实现的大间隙对接接头的焊接。
[0007]为了实现该目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，两个焊件放置于同一水平面上，且两个焊件之间设有一定的间隙，该间隙内放置垂直补偿材料，然后进行搅拌摩擦焊接。
[0009]所述垂 直补偿材料与焊件材料相同。
[0010]所述垂直补偿材料的形状与所述间隙的形状相对应，所述垂直补偿材料的高度与焊件的厚度之差的绝对值小于0.5_，所述补偿材料的宽度略小于焊件之间的间隙的宽度，焊件之间的间隙的宽度与补偿材料的宽度的差小于焊件厚度的1/10。
[0011]所述垂直补偿材料位于所述间隙的中间位置，两个焊件与垂直补偿材料之间均有一定空隙，且该空隙相等。
[0012]采用以下步骤:
[0013]步骤一、将第一焊件、垂直补偿材料、第二焊件依次对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上；
[0014]步骤二、控制搅拌头以500?5000rpm的转速转动，搅拌针扎入焊件的待焊部位；当搅拌针达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎但继续旋转I?5分钟；
[0015]步骤三、搅拌头以50?1500mm/min的速度沿着第一焊件与第二焊件的对接面水平方向向前移动，直到焊接完成为止。
[0016]焊接开始搅拌头以1000?4000rpm的转速扎入焊件的待焊部位，当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转2?5分钟,优选搅拌头以1000?3000rpm的转速扎入焊件的待焊部位，进一步优选1500rpm，当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转3?5分钟，进一步优选5分钟。
[0017]焊接时，搅拌头以300?1200mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动，优选搅拌头以500?1000mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动，再优选搅拌头以800mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动。
[0018]所述搅拌头包括一轴肩和一搅拌针，所述搅拌针为锥形，该搅拌针的根部直径大于端部直径；所述轴肩为柱形，该轴肩直径为搅拌针根部直径的2?3倍。
[0019]所述搅拌针的根部直径为焊件板厚与补偿材料厚度和的0.5?1.5倍，优选1.1倍，所述搅拌针的端部直径为补偿材料厚度的O?1.5倍，优选1.2倍，且搅拌针的根部直径大于补偿材料厚度。
[0020]采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果:
[0021]1、本发明中焊件之间设置垂直补充材料，可以解决焊缝间隙过大的焊接问题，且焊接效果好，焊接接头质量好。
[0022]2、本发明中搅拌头使补偿材料与待焊材料之间充分的搅拌与混合，实现常规搅拌摩擦焊方法难以实现的大间隙对接接头的焊接。
[0023]3、本发明中搅拌头的轴肩与搅拌针尺寸随待焊板材以及补偿材料的尺寸变化而变化，不同尺寸的焊件选择不同尺寸的搅拌头，保证焊接过程中材料有足够的热输入以及材料流动，以获得质量优异的搅拌摩擦焊接头。
[0024]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1:本发明垂直补偿搅拌摩擦焊接工艺示意图。
[0026]图2:本发明焊件与补偿材料之间关系的水平视图。
[0027]图3:本发明搅拌头与焊件的位置关系示意图。
[0028]其中:1、第一焊件，2、第二焊件，3、搅拌头，4、间隙，5、垂直补偿材料，6、搅拌针，7、轴肩。【具体实施方式】
[0029]搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的，在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的，搅拌头一般米用工具钢制成。
[0030]本发明所述一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，焊接前两个焊件放置于同一水平面上，且两个焊件之间设有一定的间隙，该间隙内放置垂直补偿材料5，然后进行搅拌摩擦焊接。
[0031]所述的垂直补偿材料5为与焊件材质相同的材料，焊接过程中熔解填充焊缝，连接两个焊件，有了垂直补充材料，可解决焊件之间焊缝过大不便于焊接，或者焊缝大导致焊接后焊缝质量不好等问题。
[0032]垂直补偿材料5的形状与所述间隙4的形状相对应，所述垂直补偿材料5的高度与焊件的厚度之差的绝对值小于0.5_，所述垂直补偿材料5的宽度略小于焊件之间的间隙的宽度，焊件之间的间隙的宽度与补偿材料的宽度的差小于焊件厚度的1/10。垂直补偿材料位于所述间隙的中间位置，两个焊件与垂直补偿材料之间均有一定空隙，且该空隙相等(参见图2)。焊件之间设置垂直补充材料，可以解决焊缝间隙过大的焊接问题，且焊接效果好，焊接接头质量好。搅拌头使补偿材料与待焊材料之间充分的搅拌与混合，实现常规搅拌摩擦焊方法难以实现的大间隙对接接头的焊接。
[0033]本发明所述垂直补偿的搅拌摩擦焊接方法，采用以下步骤:
[0034]步骤一、将第一焊件1、垂直补偿材料5、第二焊件2依次对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上；
[0035]步骤二、控制搅拌头3以500?5000rpm的转速转动，搅拌头的搅拌针扎入焊件的待焊部位；当搅拌针达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎但继续旋转I?5分钟；
[0036]步骤三、搅拌头以50?1500mm/min的速度沿着第一焊件与第二焊件的对接面水平方向向前移动，直到焊接完成为止。
[0037]优选焊接开始搅拌头以1000?4000rpm的转速扎入焊件的待焊部位，当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转I?5分钟，优选搅拌头以2000?4000rpm的转速扎入焊件的待焊部位,进一步优选3000rpm,当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转2?4分钟，进一步优选3分钟。
[0038]焊接时，搅拌头以300?1200mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动，优选搅拌头以500?1000mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动，再优选搅拌头以800mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动。
[0039]如图3所示搅拌头3包括一轴肩7和一搅拌针6，所述搅拌针6为锥形，该搅拌针6的根部直径大于端部直径；所述轴肩7为柱形，该轴肩7直径为搅拌针6根部直径的2~3倍。搅拌针6的根部直径为焊件板厚与补偿材料厚度和的0.5~1.5倍，优选1.1倍，所述搅拌针6的端部直径为补偿材料厚度的O~2倍，优选0.9倍，且搅拌针的根部直径大于补偿材料厚度。
[0040]搅拌头3的轴肩7与搅拌针6尺寸随待焊板材以及补偿材料的尺寸变化而变化，不同尺寸的焊件选择不同尺寸的搅拌头3，保证焊接过程中材料有足够的热输入以及材料流动，以获得质量优异的搅拌摩擦焊接头。
[0041]实施例一
[0042]如图1、图2、图3所示，本实施例所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法是按照以下步骤实现的:
[0043]步骤一、将第一焊件、第二焊件与垂直补偿材料5放置且位于同一水平面上(即将第一焊件、第二焊件与垂直补偿材料5三部分组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述第一焊件和第二焊件为厚度t相同的板材；垂直补偿材料5的高度与第一焊件或第二焊件的厚度t之差的绝对值小于0.3mm，且第一焊件与第二焊件之间的间隙4宽度t2与补偿材料5宽度h的差小于第一焊件厚度的1/10。
[0044]步骤二、组成搅拌头3的搅拌针6的根部直径Cl1为第一焊件板厚t与补偿材料5厚度h之和的0.5~1.5倍、端部直径d2为补偿材料5厚度h的O~2倍，且搅拌针6的根部直径Cl1大于补偿 材料5厚度^以及根部直径Cl1大于端部直径d2 ;组成搅拌头3的轴肩7直径d3为搅拌针根部直径Cl1的2~3倍。搅拌头3以500~5000rpm的转速扎入待焊部位(即第一焊件与第二焊件的对接面)。
[0045]步骤三、当搅拌头3达到设定的下扎深度时，搅拌头3停止下扎且继续旋转I~5分钟；然后，搅拌头3以50~1500mm/min的速度沿着第一焊件与第二焊件的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
[0046]实施例二
[0047]本实施例在步骤二中，所述的搅拌头3的旋转速度为1500rpm。其它步骤与实施例一相同。
[0048]实施例三
[0049]本实施例在步骤三中，所述的搅拌头3以50mm/min的速度沿着水平方向移动。其它步骤与实施例一相同。
[0050]实施例四
[0051]本实施例在步骤三中，所述的当搅拌头3达到设定的下扎深度时，搅拌针6停止下扎且继续旋转5分钟。
[0052]其它步骤与实施例二相同。
[0053]实施例五
[0054]本实施例在步骤一中，对材质为7N01铝合金的第一焊件与第二焊件进行焊接，所述第一焊件与第二焊件的厚为3.8mm,板的间隙4为1.2mm,补偿材料5的宽度为1mm ;在步骤二中搅拌针6的根部直径为4mm、端部直径为1.5mm、轴肩7的直径为12mm。[0055]其它步骤与实施例二相同。
[0056]本发明中焊件之间设置垂直补充材料，可以解决焊缝间隙过大的焊接问题，且焊接效果好，焊接接头质量好，搅拌头使补偿材料与待焊材料之间充分的搅拌与混合，实现常规搅拌摩擦焊方法难以实现的大间隙对接接头的焊接，搅拌头的轴肩与搅拌针尺寸随待焊板材以及补偿材料的尺寸变化而变化，不同尺寸的焊件选择不同尺寸的搅拌头，保证焊接过程中材料有足够的热输入以及材料流动，以获得质量优异的搅拌摩擦焊接头。
[0057]以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:两个焊件放置于同一水平面上，且两个焊件之间设有一定的间隙，该间隙内放置垂直补偿材料，然后进行搅拌摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:所述垂直补偿材料与焊件材料相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:所述垂直补偿材料的形状与所述间隙的形状相对应，所述垂直补偿材料的高度与焊件的厚度之差的绝对值小于0.5_，所述补偿材料的宽度略小于焊件之间的间隙的宽度，焊件之间的间隙的宽度与补偿材料的宽度的差小于焊件厚度的1/10。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:所述垂直补偿材料位于所述间隙的中间位置，两个焊件与垂直补偿材料之间均有一定空隙，且该空隙相等。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:采用以下步骤: 步骤一、将第一焊件、垂直补偿材料、第二焊件依次对接放置且位于同一水平面上，并用夹具装夹在工作台上； 步骤二、控制搅拌头以500?5000rpm的转速转动，搅拌头的搅拌针扎入焊件的待焊部位；当搅拌针达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎但继续旋转I?5分钟； 步骤三、搅拌头以50?1500mm/min的速度沿着第一焊件与第二焊件的对接面水平方向向前移动，直到焊接完成为止。
6.根据权利要求5所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:焊接开始搅拌头以1000?4000rpm的转速扎入焊件的待焊部位，当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转2?5分钟，优选搅拌头以1000?3000rpm的转速扎入焊件的待焊部位，进一步优选1500rpm，当搅拌头达到设定的下扎深度时，搅拌头停止下扎且继续旋转3?5分钟，进一步优选5分钟。
7.根据权利要求5所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:焊接时，搅拌头以50?500mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动,优选搅拌头以50?300mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动,再优选搅拌头以50mm/min的速度沿着焊件的对接面水平方向移动。
8.根据权利要求5所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:所述搅拌头包括一轴肩和一搅拌针，所述搅拌针为锥形，该搅拌针的根部直径大于端部直径；所述轴肩为柱形，该轴肩直径为搅拌针根部直径的2?3倍。
9.根据权利要求8所述的一种垂直补偿的搅拌摩擦焊接工艺方法，其特征在于:所述搅拌针的根部直径为焊件板厚与补偿材料厚度和的0.5?1.5倍，优选1.1倍，所述搅拌针的端部直径为补偿材料厚度的O?2倍，优选1.2倍，且搅拌针的根部直径大于补偿材料厚度。
【文档编号】B23K20/16GK103962715SQ201310416355
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】路浩, 姬书得, 高双胜, 方喜风, 张铁浩, 汪认 申请人:南车青岛四方机车车辆股份有限公司