电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备的制作方法

本实用新型涉及高端智能制造装备领域，特别涉及一种搅拌摩擦焊接装备，尤指一种用于电流和磁场耦合的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备。

背景技术：

作为一种先进的固相焊接技术，搅拌摩擦焊自1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明以来，由于其具有无焊材消耗、焊后工件残余应力小、根除了融焊所固有的缺陷（气孔、凝固裂纹等），具有接头力学性能好、便于自动化焊接、焊接效率高、环境友好（无弧光、烟尘等）等优点，搅拌摩擦焊接已经在航空航天、造船、汽车、列车等工业领域得到了广泛应用。但是其应用范围主要集中于铝、镁等轻合金的焊接，对于钢、钛合金等高熔点合金的焊接还很少应用。

由于搅拌摩擦焊接主要依靠搅拌头和工件的摩擦与挤压作用进行焊接，因此对于高熔点合金的焊接，存在热量输入不足、焊接载荷过大、装夹要求高、焊接速度低、搅拌头磨损严重、搅拌针易折断等问题，严重制约了其在高熔点合金材料焊接上的应用。物理场作为一种经济、环保、高效的辅助加工手段，它可以改善材料的合成和加工条件，调控材料的组织和性能，已经在复合材料制备、金属冶炼、塑性加工等制造工艺中已经得到了广泛的应用。例如电流辅助轧制、磁场辅助热处理等加工工艺都已经得到了很大的发展。在搅拌摩擦焊过程中通入高密度电流（≥10A/mm²），不仅会有明显的焦耳热效应，增加热量输入，塑化金属，而且高密度电流具有纯电致塑性效应，可有效降低材料流变应力，促进焊接过程中材料的塑性流动。加工过程中施加强磁场（≥1T）也会有磁致塑性效应，通过促进材料内部位错的运动和增殖，从而提高工件塑性。此外，磁场辅助热处理可以通过影响位错和晶界来影响相变、增加形核率，促使组织细化，提高焊缝质量。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，解决现有搅拌摩擦焊接高熔点合金过程中搅拌头磨损严重，搅拌针易折断，焊接载荷大，焊接性差，接头中孔洞缺陷等问题。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，包括磁场加载单元、电流加载单元和搅拌摩擦焊接单元，搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动，在试件焊接区域分别施加高密度脉冲电流和强磁场，从而实现对高熔点合金的电磁辅助搅拌摩擦焊接。

所述的磁场加载单元包括上磁场加载模块和下磁场加载模块，其中上磁场加载模块由水冷箱16、上磁块连接套3、上磁块5组成，所述上磁块5是一电磁铁，水冷箱16嵌套并固定于上磁块5中，上磁块5通过上磁块连接套3连接在主轴外壳18上，上磁场加载模块整体固定于主轴外壳18上；上磁块5的铁芯5-1与水冷箱16的外壁焊接固定，所述水冷箱16内壁和搅拌头8及主轴刀柄4之间的间隙大于1mm，不随机床主轴转动，通过调整上、下磁块的配套电源的输出电流强度来调控磁场加载强度。

所述的下磁场加载模块包括下磁块11、下磁块连接块9和随动平台10，所述下磁块11为电磁铁，通过四个下磁块连接块9依靠紧固螺钉固定于随动平台10上，随动平台10固定于支撑平台12上，通过伺服电机驱动丝杠螺母副沿焊缝方向的运动，使其保持与焊接区域的相对位置不变。

所述的电流加载单元包括绝缘连接杆2、弹簧6、导电刷7和电源17，所述绝缘连接杆2通过螺栓固定于主轴箱外壳1上，绝缘连接杆2下方有方形孔，导电刷7与绝缘连接杆2接触部分也是方形，两者构成间隙配合，导电刷7能上下移动，不能转动；弹簧6套在导电刷7与绝缘连接杆2接触段外侧，压紧导电刷7，使其与工件15保持紧密接触；电源17的正负极分别连接两个导电刷7，给焊接区域通电。

所述的搅拌摩擦焊接单元包括支撑平台12、绝缘板13、压紧块14、工件15、搅拌头8，所述支撑平台12固定于机床工作台上，工件15和支撑平台12之间有绝缘板13，压紧块14将工件15固定于支撑平台12上，其间也设有绝缘板13，搅拌头8的夹持端设置磁绝缘材料，再夹紧于主轴刀柄4上。

本实用新型的有益效果在于：

1、可以大幅降低焊接载荷，延长搅拌头使用寿命：焊接过程中高密度电流的引入，会产生较明显的电阻热效应，从而提高焊接区域工件温度；高密度电流还会产生纯电致塑性效应，电子风力和金属原子、位错之间的交互作用会促进位错的增殖和滑移；焊接过程中施加强磁场，会有磁致塑性效应，通过促进位错的增殖和滑移，提升材料塑性，促进焊接区域材料流动。

2、可以有效提升焊缝质量：焊接区域材料塑性的提升，可以促进焊接区域材料塑性流动，避免空洞等缺陷；施加高密度电流，可以提高金属及化合物的回复和再结晶速率，有效降低再结晶温度，使再结晶组织得到细化；强磁场可改变相变温度，增加形核率，促进组织细化，改善产物相的分布和比例；高密度脉冲电流和强磁场的共同作用下，金属的回复和再结晶过程受脉冲洛伦兹力的影响，会增加形核率，避免晶粒粗大现象的出现。

3、本实用新型所述电流和磁场加载方式，是对工件焊接区域的局部加载，因此，电流和磁场的加载不受工件尺寸的限制，可以对大尺寸工件进行电磁辅助搅拌摩擦焊接。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金装备整体结构正视示意图；

图2为本实用新型的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金装备整体结构立体示意图；

图3为本实用新型的上磁块和水冷箱组装后的半剖示意图。

图中：1、主轴箱外壳；2、绝缘连接杆；3、上磁块连接套；4、主轴刀柄；5、上磁块；5-1、上磁块铁芯；5-2、上磁块线圈；6、弹簧；7、导电刷；8、搅拌头；9、下磁块连接块；10、随动平台；11、下磁块；12、支撑平台；13、绝缘板；14、压紧块；15、工件；16、水冷箱；17、电源；18、主轴外壳。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本实用新型的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，电磁辅助搅拌摩擦焊接方法是在搅拌摩擦焊接过程中，在焊接区域同时施加垂直于工件方向的强磁场（＞1T）和垂直于焊缝方向的高密度脉冲电流（平均均方根电流＞10A/mm²），利用电致塑性效应、电阻热效应和磁致塑性效应共同影响焊接区域塑性变形金属的位错运动，降低焊接载荷，并影响焊接区域材料相变和再结晶过程等，从而提高焊缝质量，实现对高熔点合金的电磁辅助搅拌摩擦焊接。装备包括电流加载单元、磁场加载单元和搅拌摩擦焊接单元，可实现在焊接过程中对焊接区域局部加载高密度脉冲电流和强磁场。可以降低焊接载荷，拓宽工艺窗口，提高焊接效率，延长搅拌头使用寿命；可以改善焊缝微观织构，提高接头综合力学性能；电流和磁场加载不受工件尺寸制约，适用于大尺寸工件的加工。

参见图1及图2所示，本实用新型的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，包括磁场加载单元、电流加载单元和搅拌摩擦焊接单元。搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动，在试件焊接区域分别施加高密度脉冲电流和强磁场，从而实现对高熔点合金的电磁辅助搅拌摩擦焊接。

所述磁场加载单元包括上磁场加载模块和下磁场加载模块，其中上磁场加载模块由水冷箱16、上磁块连接套3、上磁块5组成，上磁块5是一电磁铁，由铁芯5-1和内嵌的线圈5-2组成，水冷箱16外壁焊接固定于上磁块5的铁芯5-1中，上磁块5经上磁块连接套3连接于主轴外壳18上，上磁场加载模块整体固定于主轴外壳18上，不随主轴转动。下磁场加载模块包括下磁块11、下磁块连接块9和随动平台10，下磁块9为电磁铁，通过4个下磁块连接块9依靠紧固螺钉固定于随动平台10上，随动平台10固定于支撑平台12上，通过伺服电机驱动丝杠螺母副沿焊缝方向的运动。

所述上磁场连接套3上端有四个均布的螺纹孔，通过螺钉和主轴外壳18固定，下端也有四个均布的螺纹孔，通过螺钉和上磁块5固定，从而将上磁块5固定于主轴外壳18上。

参见图3所示，所述上磁块5的铁芯5-1和水冷箱16的外壁焊接固定，所述水冷箱16内壁和搅拌头8及主轴刀柄4之间间隙大于1mm，不随主轴转动。所述水冷箱16通过外连强制水冷系统冷却搅拌头和上磁块5，防止上磁块5温度过高。

参照图1和图2所示，所述移动平台10是由伺服电机、丝杠螺母副、滑轨等组成，固定安装于支撑平台12上，下磁块9固定安装于移动平台10上，可以控制下磁块10同上磁块5、搅拌头沿焊缝方向同步移动。

所述上磁块5和下磁块11均为电磁铁，两者空隙不超过30mm，下磁块11有磁芯，空隙内磁场强度应大于1T，磁场强度可以通过调整电流大小来调整磁场强度。所述磁场加载单元可以在焊接区域垂直于工件方向加载强磁场，并能通过调整磁铁配套电源的输出电流强度来调控加载磁场强度。

参照图1和图2所示，所述电流加载单元由绝缘连接杆2、弹簧6、导电刷7和电源17组成。绝缘连接杆2通过螺栓固定于主轴箱外壳1上，绝缘连接杆2下方有方形孔，而导电刷7与绝缘连接杆2接触部分也是方形，两者构成间隙配合，导电刷7相对于绝缘连接杆2可上下移动，不能转动。弹簧6套在导电刷7与绝缘连接杆2接触段外侧，压紧导电刷7，使导电刷7和工件15在焊接过程中始终保持紧密接触。所述电流加载单元中绝缘连接杆2、弹簧6和导电刷7均为两对，对称分布于焊缝和搅拌头两侧，电源17正负极分别接两个导电刷7，给焊接区域通电，电源17、导电刷7和工件15构成导电回路。

所述电源17为脉冲电源，该电源的输出电流可以保证焊接区域平均均方根电流密度在电致塑性效应阈值（＞10A/mm²）以上，电流频率为10-600HZ。

所述搅拌摩擦焊接单元由支撑平台12、绝缘板13、压紧块14、工件15、搅拌头8构成，支撑平台12固定于机床工作台上，工件15和支撑平台12之间有绝缘板13，压紧块14将工件15固定于支撑平台12上，并在工件15侧向施加压力，压紧两个工件15，使得其间接触电阻尽量减少。压紧块14和工件15之间也衬有绝缘板13，搅拌头8夹持端衬有隔磁绝缘材料，再夹紧于主轴刀柄4上，防止强磁场影响主轴运转，也使得搅拌头和机床主轴绝缘。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。