一种电流辅助摩擦柱/锥塞焊接方法及其工装与流程

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种电流与固相摩擦复合热源的新型摩擦柱/锥塞焊接方法。

背景技术：

摩擦柱/锥塞焊是基于连续驱动摩擦焊和螺柱焊焊接过程提出的一种新型固相连接技术,由英国焊接研究所于1992年发明并申请了专利。其基本原理是：在母材上预制一个待焊接塞孔，将直径小于塞孔的消耗性塞棒材料与塞孔保持同心，并且高速旋转，同时在塞棒上施加一定的轴向压力并向塞孔底部移动，当旋转塞棒与塞孔底部接触时，开始摩擦剪切产热过程。在热力耦合共同作用下，摩擦界面上的消耗性塞棒处于热塑性状态，同时向四周转移而填充塞棒与塞孔内壁之间的径向间隙，塑性层由于受母材散热和冷却沉积作用形成动态再结晶沉积层。在整个焊接过程中，塑性层的产生速率高于塞棒的进给速率，因此，摩擦面将沿塞棒持续上升，塞孔不断被动态再结晶沉积层填充，最终与母材实现紧密结合。根据塞孔与塞棒几何形状的不同，可将其分为两类，即摩擦圆柱塞焊(Friction Hydro Pillar Processing，FHPP)和摩擦圆锥塞焊(Friction Taper Plug Welding，FTPW)。多个摩擦柱/锥塞焊缝相互并排重叠便形成了摩擦柱/锥塞缝焊(Friction Stitch Welding，FSW)，可用于修复长尺寸缺陷。

摩擦柱/锥塞焊具有以下优点：(1)一种“绿色”焊接方法，无烟尘飞溅、无弧光和辐射产生；(2)固态连接，热变形和残余应力小，有效避免氢致裂纹、气孔、夹杂等熔焊缺陷，可以实现水下焊接；(3)塞焊缝制造成本低，无需焊剂和保护气体；(4)能够进行全位置焊接，可以远程控制，易于实现自动化，焊接效率高，焊接接头可重复性强。因此，摩擦柱/锥塞焊得到工业领域广泛关注，尤其在一些特殊的应用场合如海洋工程领域具有突出的优势。

首先，摩擦柱/锥塞焊缝，可以用来修补由于熔焊工艺产生的各种焊接缺陷、其修复效果好于原来熔焊修复，用于修复搅拌摩擦焊缝结束端由于搅拌工具留下的凹孔和各种搅拌摩擦焊缝局部缺陷，也可以用于修补航天飞机外贮箱焊接接头缺陷，船用螺旋桨和油气储罐各种局部腐蚀缺陷；其次，当塞棒变为螺栓时即为摩擦螺柱焊，可以用于海底立管和浮式生产储油轮牺牲阳极的螺柱焊接；最后，摩擦柱/锥塞焊技术既能用于水下钢结构物的焊接和局部修复，核工业领域沸腾水反应器和高压蒸汽管道表面的应急局部修复，还能用于零件内外表面的摩擦堆焊改性。

传统摩擦柱/锥塞焊在应用过程中存在一些问题：(1)对焊接设备要求高，需要提供高的焊接转速和较大轴向压力，导致焊接工艺可调整的范围较窄；(2)焊接开始由于所受载荷过大，导致焊接扭矩迅速上升，容易造成焊机因过载而卡死；(3)塞焊缝底部圆角过渡处塑性材料流动不够充分，由于摩擦热源不足容易产生未焊合缺陷；(4)由于焊接过程持续时间较短，焊接冷却速度较快，导致整个塞焊缝内部有可能产生粗大组织结构使得硬度上升塑性下降，对塞焊缝力学性能及塑性变形产生不利影响。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明提供一种电流辅助摩擦柱/锥塞焊接方法，采用本发明特有的工装，当接通一辅助电源后，在辅助电源、上导电块、塞棒、工件和下导电块之间形成导电回路；在塞棒与工件之间施加大电流作用，使得塞棒摩擦界面在摩擦热源与接触电阻热源共同作用下形成塞焊缝，从而实现电流辅助摩擦柱/锥塞焊接过程。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于电流辅助摩擦塞焊的工装，包括塞棒夹具、工件夹具和辅助电源，所述塞棒夹具包括金属套筒，所述金属套筒的开口朝下，所述金属套筒的顶部设有与焊机主轴套、焊机夹头配合的圆柱棒，沿所述金属套筒的内壁设有硬橡胶衬套，所述硬橡胶衬套内设有塞棒夹头，所述塞棒夹头由金属夹套和弹簧夹头构成；所述金属夹套的顶部与所述硬橡胶衬套的顶部之间设有上导电块，沿所述金属套筒和硬橡胶衬套的轴向的中心设有第一通孔；所述通孔的上端与所述焊机主轴套的中心孔连通；所述工件夹具包括绝缘材料的工件箱和固定夹具，所述工件箱的底板上面设有下导电块；所述工件箱的侧壁上设有第二通孔；自所述辅助电源的正电极和负电极上分别引出有第一电缆线和第二电缆线，所述第一电缆线依次经过焊机主轴套内孔、焊机夹头的内孔和所述第一通孔连接至上导电块；所述第二电缆线通过第二通孔连接至下导电块；塞棒夹具夹持塞棒及工件夹具装夹工件后，当接通辅助电源，自所述第一电缆线、依次经上导电块、塞棒、工件、下导电块至所述第二电缆线形成一回路。

进一步讲，所述上导电块和下导电块的面积均大于工件上塞孔的水平投影面积。

所述辅助电源根据摩擦塞焊的工艺要求，选择交流弧焊电源、直流弧焊电源、逆变式弧焊电源和脉冲弧焊电源中的一种。

利用本发明的上述用于电流辅助摩擦塞焊的工装实现电流辅助摩擦柱/锥塞焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、依据摩擦塞焊的工艺要求，采用与工件同种或者异种材料加工底部为圆柱状或者是锥台状的塞棒，在工件的待焊区域预制与塞棒配合的塞孔，将塞棒和塞孔清洗干净；

步骤二、利用如权利要求1所述用于电流辅助摩擦塞焊的工装在焊机上装夹塞棒和工件，其中，所述上导电块的面积大于上导电块与所述塞棒之间的接触面积；下导电块的面积大于塞棒与工件上塞孔之间的接触面积；所述下导电块位于工件与工件箱的上表面之间；所述工件上的塞孔的轴线与所述塞棒的轴线重合；

步骤三、第一电缆线的一端穿过焊机主轴套的内孔、焊机夹头的内孔和所述第一通孔后与上导电块连接；第二电缆线的一端穿过工件箱侧壁的第二通孔后与位于工件底部的下导电块连接；第一电缆线和第二电缆线的另一端连接至辅助电源，所述辅助电源根据摩擦塞焊的工艺要求，选择交流弧焊电源、直流弧焊电源、逆变式弧焊电源和脉冲弧焊电源中的一种,即根据摩擦塞焊工艺要求，从中选择电流性质和电流大小合适的一种电源；

步骤四、在焊机和辅助电源上设定工艺参数，启动焊机和辅助电源，待塞棒转速达到预设值后，在塞棒上施加轴向力,同时，塞棒沿轴向向塞孔底部方向移动；当塞棒与塞孔底部接触时，在辅助电源、上导电块、塞棒、工件、下导电块之间形成导电回路；在塞棒与工件的塞孔之间的摩擦界面处电阻热与摩擦热的共同作用，塞棒的端部材料迅速处于热塑性状态，同时，在热力耦合共同作用下，塑性材料向四周转移而填充塞棒与塞孔之间的间隙，随着焊接过程的进行，该间隙被填满，当顶锻阶段完成之后，关闭辅助电源和焊机，至此完成电流辅助摩擦柱/锥塞焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明是一种简单有效的电流辅助方法，能够保证产生稳定可靠的电阻热。在电阻热的辅助作用下，降低了摩擦柱/锥塞焊的工艺要求，降低了焊接设备的动力要求。

(2)本发明既可以对摩擦柱/锥塞焊进行辅助加热，也可以进行焊前预热和焊后热处理。因此，可以降低焊接缺陷的产生，特别是由于热量不足导致材料塑性流动状态不充分所引起的未填充，未焊合等缺陷。从而，进一步提高焊接质量，改善焊接接头的力学性能。

(3)附加设备简单，成本较低，有利于电流辅助摩擦柱/锥塞焊接方法推广与应用,具有广阔的发展前景。

附图说明

图1是采用圆柱状塞棒实现电流辅助摩擦柱塞焊接的示意图；

图2是采用锥台状塞棒实现电流辅助摩擦柱塞焊接的示意图。

图中：

1-焊机主轴套，2—焊机夹头，31-上导电块，32-下导电块，4-金属套筒，41-圆柱棒，5-硬橡胶衬套，6-金属夹套，7-弹簧夹头，8-塞棒，9-固定夹具，10-工件，11-工件箱，12-工作台，131-第一电缆线，132-第二电缆线，14-辅助电源，15-塞孔，箭头Ⅰ表示轴向压力方向，箭头Ⅱ表示塞棒旋转方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是，在工件的焊接区通入电流并在塞棒与工件塞孔接触的摩擦界面处产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦柱/锥塞焊过程的复合热源，从而实现电流辅助摩擦柱/锥塞焊接过程。实现产生电阻热的措施主要是：将辅助电源的一个电极通过电缆线接在与塞棒接触的上导电块上，辅助电源的另外一个电极通过电缆线接在与焊接工件相连的下导电块上，并使塞棒与焊机主轴套及焊机夹头之间和工件与工作台之间绝缘，在辅助电源、塞棒和工件之间形成导电回路，即可在塞棒与工件的塞孔的摩擦接触面处产生电阻热。另外，为了保证电流最大效应作用于塞焊缝区域，将上下导电块分别设计在塞棒上方的金属夹套中心处与绝缘衬套之间以及塞孔底部的工件背面(即工件箱的上表面)，并将导电块的面积设计为大于塞焊缝的投影面积，使得电流最大限度流过塞焊缝区域，而不是短路过渡到工件表面区域。

如图1和图2所示，本发明中提出的一种用于电流辅助摩擦塞焊的工装，包括塞棒夹具、工件夹具和辅助电源14。

所述塞棒夹具包括金属套筒4，所述金属套筒4的开口朝下，所述金属套筒4的顶部设有与焊机主轴套1和焊机夹头2配合的圆柱棒41，沿所述金属套筒4的内壁设有硬橡胶衬套5，所述硬橡胶衬套5内设有塞棒夹头，所述塞棒夹头由金属夹套6和弹簧夹头7构成；所述塞棒夹具采用三层构成，从外层到里层分别由高强度的金属套筒4—硬橡胶衬套5—高强度的金属夹套6，通过机械力作用而相互嵌套。并在所述金属夹套6的顶部与所述硬橡胶衬套5的顶部之间设有上导电块31，沿所述金属套筒4和硬橡胶衬套5的轴向的中心设有第一通孔；所述通孔的上端与所述焊机主轴套1的中心孔连通与焊机夹头2配合可以形成独立的塞棒夹持机构，既能保证强度，又能与焊机主轴套、焊机夹头绝缘，将其固定在焊机主轴套上，就可以实现电流辅助焊接。

所述工件夹具包括绝缘材料的工件箱11和固定夹具9，所述工件箱11的底板上面设有下导电块32，所述上导电块31和下导电块32的面积均大于工件10上塞孔的水平投影面积，使得电流最大限度流过塞焊缝区域，而不是短路过渡到工件表面区域，所述工具箱11的侧壁上设有第二通孔。所采用的绝缘工作箱11(槽)和绝缘固定夹具9要具有一定的机械力学性能和热稳定性，并且保证完全绝缘。因此，绝缘工作箱11可以采用夹层结构，即由高强度的金属—硬橡胶—高强度的金属相互嵌套而构成。固定夹具9可以由硬橡胶和高强度的金属构成，通过螺栓连接就可以对工件10进行固定，使整个焊接过程中工件10与工作台12绝缘。

本发明中，所采用的上、下导电块31和32要具有良好的导电性，可以选用圆形铜材料，并与塞焊缝的投影面相匹配，与工件及与用来夹持塞棒的金属夹套之间要保持良好的接触。同时，为了减少电流逸出到非焊接区，上、下导电块31和32的面积只需要略大于塞孔投影面积。

所述辅助电源根据摩擦塞焊的工艺要求，选择交流弧焊电源、直流弧焊电源、逆变式弧焊电源和脉冲弧焊电源中的一种，从而可以提供较大的电流。自所述辅助电源14的正电极和负电极上分别引出有第一电缆线131和第二电缆线132，所述第一电缆线131依次经过焊机主轴套1内孔、焊机夹头2的内孔和所述第一通孔连接至上导电块31；所述第二电缆线132通过第二通孔连接至下导电块32；塞棒夹具夹持塞棒8及工件夹具装夹工件10后，当接通辅助电源14，自所述第一电缆线131、依次经上导电块31、塞棒8、工件10、下导电块32至所述第二电缆线132形成一回路。

本发明中用于通过电缆线的第一通孔和第二通孔的孔径均与所要通过的电缆线的直径相匹配的圆孔，第一电缆线131穿过圆孔与设置在塞棒夹具中的金属夹套6与绝缘衬套5之间中心处的上导电块31连接，第二电缆线132与塞孔15下方工件10背面的下导电块32连接，可以避免高速转动而引起电缆线缠绕的问题。

利用上述用于电流辅助摩擦塞焊的工装，可以方便的实现电流辅助摩擦柱/锥塞焊接方法，主要包括以下步骤：

步骤一、依据摩擦塞焊的工艺要求，采用与工件同种或者异种材料加工底部为圆柱状或者是锥台状的塞棒8，在工件10的待焊区域预制与塞棒8配合的塞孔15，将塞棒8和塞孔15清洗干净；

步骤二、利用如权利要求1所述用于电流辅助摩擦塞焊的工装在焊机上装夹塞棒8和工件10，其中，所述上导电块31和下导电块32的面积均大于工件10上塞孔的水平投影面积；所述下导电块32位于工件10与工件箱11的上表面之间；所述工件10上的塞孔15的轴线与所述塞棒8的轴线重合；

步骤三、第一电缆线131的一端穿过焊机主轴套1的内孔、焊机夹头2的内孔和所述第一通孔后与上导电块31连接；第二电缆线132的一端穿过工件箱11侧壁的第二通孔后与位于工件10底部的下导电块32连接；第一电缆线131和第二电缆线132的另一端连接至辅助电源14，所述辅助电源根据摩擦塞焊的工艺要求，选择交流弧焊电源、直流弧焊电源、逆变式弧焊电源和脉冲弧焊电源中的一种。

步骤四、待装夹固定完成后，在焊机和辅助电源14上设定工艺参数，启动焊机和辅助电源，使塞棒8高速旋转，待塞棒8转速达到预设值后，在塞棒8上施加轴向力，同时，塞棒8沿轴向向塞孔15底部方向移动；当塞棒8与塞孔15底部接触时，在辅助电源14、上导电块31、塞棒8、工件10、下导电块32之间形成导电回路；根据接触式电阻最大原理，在塞棒8与摩擦界面处的电阻最大，产生大量的电阻热。在塞棒8与工件10的塞孔15之间的摩擦界面处电阻热与摩擦热的共同作用，塞棒8的端部材料迅速处于热塑性状态，同时，在热力耦合共同作用下，塑性材料向四周转移而填充塞棒8与塞孔15之间的间隙，由于受母材散热和冷却沉积作用形成动态再结晶沉积层。随着焊接过程的进行，该间隙不断地被填满，当顶锻阶段完成之后，应立即关闭辅助电源14，然后，停止焊机，至此完成电流辅助摩擦柱/锥塞焊接。将塞棒8从塞棒夹具上卸下来，卸掉夹具，去除工件夹具，加工掉工件上多余的塞棒材料，即可完成整个加工过程。

与传统摩擦柱/锥塞焊工艺比较，该方法具有以下明显特征：(1)可以降低对摩擦热的要求，从而降低对焊接设备动力系统的要求及设备制造成本；(2)可以改善焊缝底部摩擦热源不足容易产生缺陷的不利因素，从而改善塞焊缝组织结构和力学性能；(3)可以拓宽黑色金属、高温合金等材料的焊接工艺窗口。

结合图1，下面以对35mm厚的X65管线钢采用电流辅助摩擦柱塞焊为实施例描述本发明焊接方法。

首先，在工件10待焊位置预制一个直径11mm，高20mm圆柱状塞孔，然后将表面油污和磨粒及碎屑清洗干净。采用直径为10mm的圆柱状X65塞棒8与之相匹配。上下导电块31和32均选用圆盘状的铜材料，辅助电源14选用IGBT弧焊整流器，用第一电缆线131将上导电块31与辅助电源14连接，用第二电缆线132将下导电块32连接起来。按照图1所示将塞棒夹具和工件夹具安装就位，并对塞棒8和工件10进行装夹和装配。

待装夹和装配结束后，使塞棒8与塞孔15保持同轴，在摩擦柱塞焊机和辅助电源14上设定各种相关参数。其中，设：塞棒8的转速为5000—7500rmp，轴向压力为20—40KN，辅助电流为300—700A。本实施例所设置的参数为：塞棒转速6500rmp，轴向压力30KN，辅助电流400A。启动摩擦柱塞焊机和辅助电源14，使塞棒8高速旋转，待转速达到6500rmp后，在塞棒8上施加30KN轴向压力(如图1中向下的箭头I所示)，使其沿塞孔15轴向向塞孔底部方向移动。

当塞棒8与塞孔15的底部接触时，通过第一、二电缆线131和132的连接，在辅助电源14、塞棒8、工件10的塞孔15和上、下导电块31和32之间形成导电回路。根据接触式电阻最大原理，塞棒8与摩擦界面处的电阻最大，产生大量的电阻热，电阻热不仅对摩擦柱塞焊进行辅助加热，又进行焊前预热和焊后热处理。通过电阻热与摩擦热的共同作用下，塞棒端部材料迅速处于热塑性状态。同时，在热力耦合共同作用下，塑性材料向四周转移而填充塞棒与塞孔之间的间隙，由于受母材散热和冷却沉积作用形成动态再结晶沉积层。随着焊接过程的进行，不断地将塞孔填满，当顶锻阶段完成之后，立即关闭辅助电源，然后停止摩擦柱塞焊机，从而实现电流辅助摩擦柱塞焊接。

将塞棒8从塞棒夹具上卸下来，并卸掉塞棒和工件夹具，去除附件，加工掉工件10上多余的塞棒8材料，即可完成整个加工过程。经检测，采用本发明电流辅助摩擦柱塞焊接方法，采取较小的焊接转速和轴向压力，就可以获得成型良好且力学性能优良的焊接接头。

上述说明的应用实例不局限于X65管线钢材料，也可以应用于其他各类材料进行电流辅助摩擦柱塞焊接。

对于图2所示的锥台状塞棒塞孔的电流辅助摩擦锥塞焊接方法与图1所示的圆柱状塞棒塞孔的电流辅助摩擦柱塞焊接方法的原理完全一样。因此，不再进行详细说明。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。