一种能有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的方法和装置与流程

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接使用的装置，尤其是一种有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的装置，具体地说是一种在搅拌摩擦焊中使用的垫板，通过该垫板的使用能够有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力，该装置特别适用于异种板材搅拌摩擦焊残余应力的控制。

背景技术：

搅拌摩擦焊（fsw）是1991年由英国焊接研究所（theweldinginstitute,twi）发明的（us5460317）一种新型固相连接技术。fsw利用摩擦热作为焊接热源，fsw焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，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。搅拌摩擦焊接过程中，板材温度分布不均匀导致材料产生热变形，由于异种板材材料属性不同，焊接时产生的热量在不同板材内的传效率不同，更容易导致热变形的产生；搅拌头的机械作用导致板材塑性变形产生，所以在搅拌摩擦焊接过程中板材内存在很大的残余应力，板材残余应力的存在极大降低了接头的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。

为了降低接头的残余应力，发明专利“搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置”（专利公开号：cn101774079b）涉及一种跟随搅拌头移动的保温箱，对处于焊接后的焊缝及母材进行保温，随即进入进行随炉冷却，以此达到降低搅拌摩擦焊接表面的残余应力。然而，这种方法虽然减少了残余应力的产生，效率低下；由于受保温箱的限制，该方法只适用于小型件和简单直线焊接的焊接，对大型件和复杂结构件效果不明显。

发明专利“一种搅拌摩擦焊装置”（专利公开号：cn103433616b）涉及一种搅拌摩擦焊装置，该装置通过在工件焊缝上方设置深冷处理箱和低温回火箱，通过冷热循环处理降低焊接过程中产生的热应力，提高焊接件的尺寸稳定性，并改善其机械性能。然而，此种方法仅仅是降低了焊接过程中的热应力，对接头内其余应力无效果，同时该方法过程、装置都很复杂，极大的降低了焊接效率。

发明专利“一种能降低搅拌摩擦焊接板材残余应力的方法及装置”（专利公开号：cn106862753a），该装置在搅拌摩擦焊接用垫板上与焊缝相对位置处设置若干热源点，能够降低同种板材焊接后的残余应力。但该装置未考虑到异种板材间的材料属性不同，对异种板材焊接后残余应力降低的效果不明显。

技术实现要素：

本发明的目的针对现有的搅拌摩擦焊接技术普遍存在焊接板材残余应力的问题，发明一种能降低搅拌摩擦焊接板材特别是异种板材残余应力的方法，同时提供一种相应的焊接垫板装置。

本发明主要是采用在焊接板材底部增加阵列式点状热源，该阵列式点状热源的每个热源点都能进行单独控制，通过对阵列式点状热源不同时刻产热量的控制，使该附加阵列式点状热源在焊接过程中与搅拌头热源产生的温度场保持一致，减少/消除由于搅拌头产热导致的残余应力产生。在已焊接区域保温直至焊接过程完成，降低焊接板材内的温度梯度，减少因为热梯度产生的残余应力，且异种板材存在不同的材料属性，导致分布于焊缝两侧的残余应力不同，此时可通过阵列式点状热源来控制各处的温度。在焊接完成后，控制热源的产热量，使焊接板材保温，达到消除接头内的机械残余应力的目的，从而减少/消除焊接接头的残余应力。

本发明的技术方案之一是：

一种能有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的方法，其特征是在搅拌摩擦焊接用垫板上与焊缝相对位置处与两侧设置若干热源点，形成阵列式排布，各热源点利用高频感应线圈加热产生热量，使热源点产生的热源与搅拌摩擦焊接过程产生的热量相匹配，其阵列式点状热源可针对异种板材因材料属性不同而产生不同的残余应力进而进行温度控制，在焊接过程中，通过控制阵列式排布的点状热源模拟fsw（搅拌摩擦焊）过程搅拌头在焊接过程中产生的温度分布，使焊接板材温度分布均匀，降低了焊接板材内的温度梯度，减少因为热梯度产生的残余应力。在焊接完成后，控制点热源的产热量，使焊接板材保持温度，消除接头内的机械残余应力。

所述的热源点的热量来源于高频感应线圈加热铁芯产生热量的传导，通过控制器控制所述的高频感应加热器线圈把铁芯从室温(20℃)加热到500℃所需时间为15s。

所述的垫板上开有与热源点数量相同的槽，槽的一端为垫板边缘，另一端为高频感应加热器线圈大小相适应的圆弧，圆弧中心位于热源点正下方，在开槽时以圆弧中心为圆点保留直径与线圈大小和板材厚度相适应圆柱体作为加热铁芯使用；高频感应加热器线圈安装在槽内，高频感应加热器线圈的尺寸与加热要求相关，高频感应加热器线圈由通冷却水的铜管绕制而成，高频感应加热器线圈与控制箱连接；在槽外侧放置红外测温仪测量高频感应线圈加热温度，测温点位于圆柱体距离垫板表面1-10mm处。

所述的垫板为钢板、钛合金板、钨合金板或钼合金板。

所述的热源点的直径大小由搅拌头的大小决定，半径范围为0.1mm-100mm；热源点的数量由需要焊接板材的长度决定，范围为1-100个；热源点呈阵列式排开，两个热源点的间距范围为5mm-500mm。

所述的高频感应加热线圈的尺寸与加热要求相关，直径为25mm-100mm，通冷却水的铜管的外径为10mm-30mm，内径为5mm-15mm，高频感应加热线圈与控制箱连接。

本发明的技术方案之二是：

一种能降低搅拌摩擦焊接板材残余应力的装置，它包括垫板1，其特征是所述的垫板1与焊缝相对位置处设有多个热源点2，多个热源点2呈阵列式排列；每个热源点2由高频感应加热线圈3加热铁芯而形成，高频感应加热线圈3由控制器7控制其加热功率和加热时间；各个热源点能够单独控制，通过阵列式排列能够形成不同的热源分布；所述的铁芯位于热源点下部，由通冷却水的铜管6形成的高频感应加热线圈3缠绕在所述的铁芯上，通冷却水的铜管6的进口段和出口段均位于槽4中，铁芯由位于槽4一端的圆桩体5形成；在所述的槽4外安装有红外测温仪8，红外测温仪8与控制器7电气连接。

所述的槽4位于垫板1的底面上，它的一端与垫板边缘贯通，另一端与热源点2相对，作为铁芯的圆柱体5位于槽的另一端并热源点相对；所述的圆柱体与垫板整体相连或焊接相连；槽4用于高频感应加热线圈3的布线。

所述的热源点的直径大小由搅拌头的大小决定，半径范围为0.1mm-100mm；热源点的数量由需要焊接板材的长度决定，范围为1-100个；两个热源点的间距范围为5mm-500mm。

所述的高频感应加热线圈的尺寸与加热要求相关，直径为25mm-100mm，通冷却水的铜管的外径为10mm-30mm，内径为5mm-15mm。

所述的红外测温仪的测温点位于圆柱体5距离垫板表面1-10mm处。

本发明的有益效果：

使用本发明的搅拌摩擦焊接用垫板进行搅拌摩擦焊接，能够减小/消除焊接板材残余应力，提高板材焊接接头性能，实现高质量的搅拌摩擦焊接。同时，使用本发明装置进行搅拌摩擦焊接不要额外的装置和工序进行焊接残余应力消除，并且本发明装置特别适用与异种板材fsw，降低了生产成本、提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的热源点布置结构示意图。

图2为本发明使用状态结构示意简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示。

一种能有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的的方法，其关键是在搅拌摩擦焊接用垫板上与焊缝相对位置处与两侧设置若干热源点，形成阵列式排布，各热源点利用高频感应线圈加热产生热量，使热源点产生的热源与搅拌摩擦焊接过程产生的热量相匹配，其阵列式点状热源可针对异种板材因材料属性不同而产生不同的残余应力进而进行温度控制，并使一定的热量维持到整个焊接过程结束，降低搅拌头焊接区域与已焊接区域之间的温度梯度，在焊接完成后，控制热源的产热量，使焊接板材保温，达到消除接头内的机械残余应力，减少、消除焊接接头的残余应力。

如图1所示，具体包括以下措施：

1、在钢板1上沿长度方向中心线上选择热源点2，热源点2的大小由搅拌头的大小决定，热源点2的数量由需要焊接板材的长度决定，热源点呈阵列式排布，两个热源点的间距为5mm-500mm，最佳为20mm-200mm；热源点的热量来源于高频感应线圈3加热铁芯（即圆柱体5）产生热量的传导，高频感应加热线圈3把铁芯从室温(20℃)加热到500℃所需时间为15s。

2、在垫板上开与热源点数量相应的槽4，槽4的一端为垫板边缘，另一端为高频感应加热线圈3大小相适应的圆弧，圆弧中心位于热源点2正下方，在开槽时以圆弧中心为圆点保留直径与线圈大小和板材厚度相适应圆柱体5作为加热铁芯使用。

3、将高频感应加热线圈3安装在槽4内，高频感应加热线圈3的尺寸与加热要求相关，直径为25mm-100mm，线圈使用通冷却水的铜管6来代替，铜管6的外径为10mm-30mm，内径为5mm-15mm，高频感应加热线圈3与控制箱7连接。

4、在槽孔外侧放置红外测温仪8，测温点9位于圆柱体5距离垫板表面1-10mm处。

实施例2。

如图1所示。

一种在搅拌摩擦焊中使用的能有效降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的，它包括钢制垫板1（也可为钛合金板、钨合金板、钼合金板等金属异种材料板材），如图1所示，垫板1尺寸为800mm×400mm×30mm，在垫板1上沿长度方向中心线及两侧方向上选择12个圆形区域作为热源点2，圆形区域直径10mm，中间的热源点2位于垫板表面的几何中心，12个热源点2呈阵列式排布，两个热源点2的间距为100mm（也可在5mm-500mm之间选择）；热源点2的热量来源于高频感应线圈加热圆柱体铁芯5产生热量的传导，高频感应加热线圈3把铁芯5从室温(20℃)加热到500℃所需时间为15s；高频感应加热线圈3直径为30mm，高频感应加热线圈3是外径为10mm，内径为5mm的铜管6，铜管6内通冷却水；为了安装高频感应加热线圈3，在垫板上开5个槽4，槽宽30mm，高25mm，槽4的一端为垫板边缘，另一端为直径30mm的圆弧，圆弧中心位于热源点2正下方，在开槽时以圆弧中心为圆点保留直径为10mm，长25mm的圆柱体5作为铁芯使用，具体实施时，铁芯也可通过焊接、螺接、铆接的方式形成；在槽孔外侧放置红外测温仪8，测温点9位于铁芯5距离垫板表面5mm处；铜管6和红外测温仪8均与控制箱7相连接，控制箱7根据控制策略对热源温度进行控制。

如图2所示。在搅拌摩擦焊接之前将需要焊接的6mm厚的2024铝合金11与q235a钢12异种板材放置于垫板1之上，调节搅拌头10位置，使其置于第一个加热点2上方。根据6mm厚铝合金/钢异种材料焊接参数制定的热源温度控制策略进行焊接。随着搅拌头10的旋转和进给运动，由高频感应线圈3产生的热量使焊接路径出的热源点在控制策略作用下产生随搅拌进给运动变化的温度场，该温度场与搅拌头热源产生的温度场保持一致，减少由于搅拌头产生热不均匀导致的残余应力产生。而在已焊接区域内通过控制两侧点热源加热使铝合金板材温度保持在450℃，钢温度保持在900℃直至焊接过程完成，由于使用了异种板材，两种金属的材料属性不同，两侧点热源需要进行不同程度的降温来降低搅拌头10焊接区域与已焊接区域之间的温度梯度，减少因为热梯度产生的残余应力。在焊接完成后，控制铝合金侧的点热源的产热量，使铝合金焊接板材保持温度在200℃，并保温0.5小时；控制钢侧的热源点的产热量，使钢板材保持温度在600℃，并保温1小时，消除接头内的机械残余应力。

通过在搅拌摩擦焊中使用的能够降低/消除搅拌摩擦焊接板材残余应力的垫板进行搅拌摩擦焊接从本质上减少残余热应力的产生，消除接头内残余机械应力，更有效的降低搅拌摩擦焊接头内残余应力，特别适用于异种板材fsw,缩短退火时间，提高板材搅拌摩擦焊接头质量和生产效率。

本实施例的参数是根据具体的焊接异种材料设计的，具体实施时本领域技术人员可以根据本发明的技术启示，适当调整各个具体的参数实现低应用搅拌摩擦焊。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。