一种靶材组件的旋转摩擦焊接方法与流程

本发明涉及旋转摩擦焊接技术领域，具体是涉及一种靶材组件的旋转摩擦焊接方法。

背景技术：

摩擦焊，是指利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法；在压力作用下，是在恒定或递增压力以及扭矩的作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动在摩擦面及其附近区域产生摩擦热和塑形变形热，使及其附近区域温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，在顶锻压力的作用下，伴随材料产生塑性变形及流动，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。

在现有旋转摩擦焊的焊接方法中，常会遇到在两种靶材摩擦焊焊接时焊缝外溢飞边较多，对于靶材端面损耗较大的问题，尤其是在对于环型靶材的摩擦焊接，其端面损耗较大易造成端环尺寸出现较大偏差，从而影响所制备的焊接体结构尺寸；若采用中间体靶材加入处理不仅工艺制备更加复杂，同时连接焊缝结构强度难以保证；因此，现需要一种新型用于环型靶材的旋转摩擦焊接方法来解决上述这一问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种靶材组件的旋转摩擦焊接方法。

本发明的技术方案是：一种靶材组件的旋转摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1焊前处理：打磨a靶材、b靶材的待焊接端面，对a、b靶材的待焊接端面进行焊接前处理；

s2靶材装配：将a靶材、b靶材分别夹持在摩擦焊机的旋转端、滑移端，进行对位，随后设定旋转摩擦焊的焊接参数；

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，所述顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的1～2s回退轴向缩短量0.5～1mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持1～2s后复位。

本发明通过伸缩触头及顶触处理的配合设置，可以改善旋转摩擦焊靶材的使用消耗量，减少焊缝外溢飞边，并且通过回退一定轴向缩短量进行配合伸缩触头的顶触处理，可以避免降低靶材焊接消耗量的同时，提高a、b靶材的焊接强度。

进一步地，所述步骤s1焊接前处理具体为：将待焊接端面机械加工至粗糙度ra≤2.5μm，并清洗去除其表面氧化层、油污和杂质。通过对待焊接端面进行上述粗糙度加工以及清洗，可以优化后续摩擦焊的焊接效果。

进一步地，所述a靶材、b靶材分别为5n高纯氧化铝、a6061t6铝。

进一步地，所述焊接参数为：焊接转速1000～1200rpm，焊接压力45～65mpa，轴向缩短量3.5mm，顶锻压力80～110mpa，顶锻时间5～7s。采用上述焊接参数可以有效对5n高纯氧化铝、a6061t6铝两种靶材进行摩擦焊接，并且有效配合伸缩触头进行顶触处理，降低5n高纯氧化铝、a6061t6铝两种靶材摩擦焊接的焊缝用料，并提高焊缝强度。

进一步地，所述顶触处理的伸缩触头设置参数如下所示：

其中，d表示伸缩触头顶端与焊缝距离；表示靶材摩擦焊接环形部厚度总和平均值；n表示靶材摩擦焊接环形部的数量，n为整数且2≥n≥1；m表示轴向缩短量。

通过上述参数设置，通过计算后得到伸缩触头顶端与焊缝距离，可以有效预设限定伸缩触头的设置位置，避免距离过近造成伸缩触头过大损耗等，避免距离过远造成外溢飞边无法触发伸缩触头造成顶触处理失效或低效的问题，

进一步地，所述步骤s3靶材焊接中，所述伸缩触头在顶触处理过程中下外洒一定剂量的加强剂，所述加强剂的加液剂量与其转速比为1：(100～200)，数值单位分别为ml和rpm。通过上述剂量设置，可以有效控制加入剂量，避免剂量过多造成焊缝处温度过低影响摩擦焊接强度，避免剂量过少影响焊缝处加强处理的效果，通过伸缩触头的配合下进行加强剂的添加可以有效提高焊缝处结构强度，通过配合顶触处理进行焊缝处添加，可以使较大部分加强剂随着回退处理过程对焊缝处粘接金属进行加强处理，避免出现无法对焊缝处加强而仅对焊缝外溢飞边进行加强剂的补加，从而在切除飞边后，焊缝处并未得到加强剂的加强处理。

进一步地，所述加强剂由如下质量百分比组分混制：10～15％聚丙烯酰胺、4～7％聚酰胺聚乙二醇、2～4％羟乙基纤维素、1～2％苯甲酸钠、2～3％氯化钠，余量为去离子水。通过上述配比制成的加强剂，通过其对焊缝处进行补强喷淋，在伸缩触头的共同作用下，提高焊缝处结构强度。

进一步地，所述伸缩触头包括触头主体；

所述触头主体包括伸缩柱、固定柱，所述伸缩柱与固定柱滑动密封套接，且伸缩柱前端设有滚柱，所述滚柱与伸缩柱上设有的嵌槽转动连接，所述嵌槽前后两端的伸缩柱上均等间距设有多个出液喷口，所述出液喷口分别通过伸缩柱内部的管路与其上端空腔连接，所述管路与空腔连通处设有单向阀，且管路中部嵌设有可转动的导液滚珠，所述导液滚珠通过密封块与管路转动密封连接，且导液滚珠贯穿伸缩柱的嵌槽内壁并与滚柱接触连接；

所述固定柱内部中空，其内设有与伸缩柱空腔匹配的压塞，所述压塞与空腔滑动密封连接，所述伸缩柱外壁上设有用于注射加强剂的加液口。

本发明伸缩触头通过上述结构设置，可以有效满足顶触处理的处理要求，通过伸缩柱与固定柱结构设置，可以使滚柱上推挤压时进行高效给液，利用导液滚珠对管路内加强剂进行高效分流，从而实现通过滚柱的转动作用，使出液喷口和滚柱同时进行加强剂的施加，从而提高加强剂的施加效果以及顶触处理的处理效果，进而优化增强焊缝接缝的结构强度。

更进一步地，所述出液喷口前后两端的伸缩柱主体上均设有挡罩，所述导液滚珠周向设有多个导液孔与其内中部设有的空心槽连接。通过设置挡罩可以避免出液喷口喷洒加强剂外洒，同时对雾化加强剂进行一定得遮挡，使其绝大多数与焊接处接触。

本发明的工作原理为：

伸缩触头前期准备：将加强剂通过注射器等从加液口注入空腔，将伸缩触头的固定柱部分通过机械臂或夹具夹装固定，然后通过计算伸缩触头顶端与焊缝距离，随后测距安装使伸缩触头的滚柱与待对接焊缝处距离等于d，随后固定伸缩触头；

伸缩触头运行原理：当惯性摩擦焊机运行后，在接触界面焊接期间焊缝处外溢飞边触及伸缩触头的滚柱，其受到滚柱限位作用并上推滚柱使其带动伸缩柱向上运动，通过固定柱的压塞作用，将空腔内加强剂压入各个管路内，

滚柱在挤压上推的同时进行转动，快速带动各个管路处设有的导液滚珠，通过导液滚珠的快速滚动对加强剂进行管路处引导以及滚柱上引导，从而通过滚柱流出部分加强剂和出液喷口喷出部分加强剂，对焊缝处进行加强剂的施加；

在接触界面焊接开始后的1～2s回退轴向缩短量0.5～1mm，焊缝处外溢飞边停止外溢并出现短期下凹，此时滚柱失去上推力并在空腔内加强剂液压作用下，补正继续贴合并对焊缝中心继续进行余量加强剂的施加；

复位时与上述原理相同，滚柱及伸缩柱随动贴合焊缝外溢飞边，通过滚柱对焊缝外溢飞边进行限位控制。

本发明的有益效果是：

(1)本发明旋转摩擦焊接方法通过伸缩触头及顶触处理的配合设置，可以改善旋转摩擦焊靶材的使用消耗量，减少焊缝外溢飞边，并且通过回退一定轴向缩短量进行配合伸缩触头的顶触处理，可以在降低靶材焊接消耗量的同时提高a、b靶材的焊接强度。

(2)本发明伸缩触头可以有效满足顶触处理的处理要求，使滚柱上推挤压时进行高效给液，利用导液滚珠进行高效分流使出液喷口和滚柱同时进行加强剂的施加，从而提高加强剂的施加效果以及顶触处理的处理效果，进而优化增强焊缝接缝的结构强度。

附图说明

图1是本发明旋转摩擦焊的运行装夹示意图。

图2是本发明具体实施例中靶材圆盘和辅材圆环扣合的主视图。

图3是本发明具体实施例中靶材圆盘和辅材圆环扣合的附视图。

图4是本发明具体实施例中靶材圆盘和辅材圆环扣合的纵剖图。

图5是本发明伸缩触头的外观示意图。

图6是本发明伸缩触头的整体结构示意图。

图7是本发明伸缩触头的底部示意图。

图8是本发明伸缩触头的导液滚珠剖面示意图。

其中，1-触头主体、11-伸缩柱、12-固定柱、13-嵌槽、14-出液喷口、15-管路、16-空腔、17-密封块、18-压塞、19-加液口、2-滚柱、3-导液滚珠、31-导液孔、32-空心槽、4-挡罩。

具体实施方式

伸缩触头结构

如图5、6所示，伸缩触头包括触头主体1；触头主体1包括伸缩柱11、固定柱12，伸缩柱11与固定柱12滑动密封套接，且伸缩柱11前端设有滚柱2，滚柱2与伸缩柱11上设有的嵌槽13转动连接，嵌槽13前后两端的伸缩柱11上均等间距设有多个出液喷口14，出液喷口14分别通过伸缩柱11内部的管路15与其上端空腔16连接，管路15与空腔16连通处设有单向阀，且管路15中部嵌设有可转动的导液滚珠3，导液滚珠3通过密封块17与管路15转动密封连接，且导液滚珠3贯穿伸缩柱11的嵌槽13内壁并与滚柱2接触连接；如图8所示，导液滚珠3周向设有多个导液孔31与其内中部设有的空心槽32连接。

如图6、7所示，固定柱12内部中空，其内设有与伸缩柱11空腔匹配的压塞18，压塞18与空腔16滑动密封连接，伸缩柱11外壁上设有用于注射加强剂的加液口19。出液喷口14前后两端的伸缩柱11主体上均设有挡罩4，通过设置挡罩4可以避免出液喷口14喷洒加强剂外洒，同时对雾化加强剂进行一定得遮挡，使其绝大多数与焊接处接触。

本发明伸缩触头通过上述结构设置，可以有效满足顶触处理的处理要求，通过伸缩柱11与固定柱12结构设置，可以使滚柱2上推挤压时进行高效给液，利用导液滚珠3对管路15内加强剂进行高效分流，从而实现通过滚柱2的转动作用，使出液喷口4和滚柱2同时进行加强剂的施加，从而提高加强剂的施加效果以及顶触处理的处理效果，进而优化增强焊缝接缝的结构强度。

上述伸缩触头的工作原理为：

伸缩触头前期准备：将加强剂通过注射器等从加液口19注入空腔16，将伸缩触头的固定柱12部分通过机械臂或夹具夹装固定，然后通过计算伸缩触头顶端与焊缝距离，随后测距安装使伸缩触头的滚柱2与待对接焊缝处距离等于d，随后固定伸缩触头；

伸缩触头运行原理：当惯性摩擦焊机运行后，在接触界面焊接期间焊缝处外溢飞边触及伸缩触头的滚柱2，其受到滚柱2限位作用并上推滚柱2使其带动伸缩柱11向上运动，通过固定柱12的压塞18作用，将空腔16内加强剂压入各个管路15内，

滚柱2在挤压上推的同时进行转动，快速带动各个管路15处设有的导液滚珠3，通过导液滚珠3的快速滚动对加强剂进行管路15处引导以及滚柱2上引导，从而通过滚柱2流出部分加强剂和出液喷口14喷出部分加强剂，对焊缝处进行加强剂的施加；

在接触界面焊接开始后的1～2s回退轴向缩短量0.5～1mm，焊缝处外溢飞边停止外溢并出现短期下凹，此时滚柱2失去上推力并在空腔16内加强剂液压作用下，补正继续贴合并对焊缝中心继续进行余量加强剂的施加；

复位时与上述原理相同，滚柱2及伸缩柱11随动贴合焊缝外溢飞边，通过滚柱2对焊缝外溢飞边进行限位控制。

旋转摩擦焊接方法

如图2-4所示，a靶材选用5nal-0.5％cu材质的靶材圆盘；b靶材选用a6061t6材质的辅材圆环；

其中，端环结构的摩擦焊接环形部厚度为20mm，实心圆板结构无环形部，则n为1，

顶触处理的伸缩触头设置参数如下所示：

其中，d表示伸缩触头顶端与焊缝距离；表示靶材摩擦焊接环形部厚度总和平均值；n表示靶材摩擦焊接环形部的数量，n为整数且2≥n≥1；m表示轴向缩短量；

计算得，d＝3.5mm。

具体实施方式如下所示：

实施例1

利用如图1所示设备进行靶材圆盘、辅材圆环的旋转摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1焊前处理：将待焊接端面机械加工至粗糙度ra≤2.5μm，并清洗去除其表面氧化层、油污和杂质；

s2靶材装配：如图1所示，将a靶材、b靶材分别夹持在摩擦焊机的旋转端、滑移端，进行对位，随后设定旋转摩擦焊的焊接参数，焊接参数为：焊接转速1100rpm，焊接压力55mpa，轴向缩短量3.5mm，顶锻压力100mpa，顶锻时间6s；

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的1s回退轴向缩短量0.5mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持1s后复位。伸缩触头在顶触处理过程中下外洒一定剂量的加强剂；

其中，加强剂的加液剂量与其转速比为1：150，数值单位分别为ml和rpm。加强剂由如下质量百分比组分混制：10％聚丙烯酰胺、4％聚酰胺聚乙二醇、2％羟乙基纤维素、1％苯甲酸钠、2％氯化钠，余量为去离子水。

实施例2

利用如图1所示设备进行靶材圆盘、辅材圆环的旋转摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1焊前处理：将待焊接端面机械加工至粗糙度ra≤2.5μm，并清洗去除其表面氧化层、油污和杂质；

s2靶材装配：将a靶材、b靶材分别夹持在摩擦焊机的旋转端、滑移端，进行对位，随后设定旋转摩擦焊的焊接参数，焊接参数为：焊接转速1100rpm，焊接压力55mpa，轴向缩短量3.5mm，顶锻压力100mpa，顶锻时间6s；

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的1s回退轴向缩短量0.5mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持1s后复位。伸缩触头在顶触处理过程中下外洒一定剂量的加强剂；

其中，加强剂的加液剂量与其转速比为1：150，数值单位分别为ml和rpm。加强剂由如下质量百分比组分混制：13％聚丙烯酰胺、5％聚酰胺聚乙二醇、3％羟乙基纤维素、1.5％苯甲酸钠、2.3％氯化钠，余量为去离子水。

实施例3

利用如图1所示设备进行靶材圆盘、辅材圆环的旋转摩擦焊接方法，包括以下步骤：

s1焊前处理：将待焊接端面机械加工至粗糙度ra≤2.5μm，并清洗去除其表面氧化层、油污和杂质；

s2靶材装配：将a靶材、b靶材分别夹持在摩擦焊机的旋转端、滑移端，进行对位，随后设定旋转摩擦焊的焊接参数，焊接参数为：焊接转速1100rpm，焊接压力55mpa，轴向缩短量3.5mm，顶锻压力100mpa，顶锻时间6s；

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的1s回退轴向缩短量0.5mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持1s后复位。伸缩触头在顶触处理过程中下外洒一定剂量的加强剂；

其中，加强剂的加液剂量与其转速比为1：150，数值单位分别为ml和rpm。加强剂由如下质量百分比组分混制：15％聚丙烯酰胺、7％聚酰胺聚乙二醇、4％羟乙基纤维素、2％苯甲酸钠、3％氯化钠，余量为去离子水。

实施例4

本实施例与实施例2基本相同，与其不同之处在于步骤s3，具体如下：

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的1s回退轴向缩短量0.7mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持2s后复位。

实施例5

本实施例与实施例2基本相同，与其不同之处在于步骤s3，具体如下：

s3靶材焊接：运行摩擦焊机进行a、b靶材的摩擦焊接，安装在旋转端靶材进行旋转，安装在滑移端靶材滑移与旋转端靶材接触，在接触界面焊接期间辅加伸缩触头对焊缝进行顶触处理，顶触处理具体为：在接触界面焊接开始后的2s回退轴向缩短量1mm，通过伸缩触头对焊缝外溢飞边部分接触处理，保持2s后复位。

焊缝强度测试

一、试验对象：

选用实施例1～5旋转摩擦焊的焊件，对照例焊件采用上述实施例1～5的焊接参数，分别进行焊缝相关强度测试；

二、试验项目：

分别对焊缝进行抗拉试验及弯曲试验，具体操作如下：

抗拉试验：选用各个焊件作为试样，参照《金属材料室温拉伸试验方法gb228-2002》，在电子万能试验机上进行拉伸试验，数据结果如表1所示。

弯曲试验：根据《焊接接头弯曲试验方法(gb/t2653-2008/iso5173:2000)》标准，将试样放置在电子万能试验机上进行弯曲试验，数据结果如表2所示。

其中，电子万能试验机选用ctm2050微机控制电子万能试验机。

三、试验数据：

表1各个旋转摩擦焊焊件的焊接接头抗拉测试结果

表2各个旋转摩擦焊焊件的焊接接头弯曲测试结果

四、试验结论：

1)对照实施例1～7与对照例，通过本工艺焊接方法焊接的焊接接头均与对照例传统的摩擦焊焊接接头有着较大的性能差别，本发明通过加强剂以及顶触处理的焊缝强度加强，不仅减少了待焊端面的挤压量，减少了材料损耗，同时提高了焊接接头的连接强度。

2)对照实验例1～3，相同的工艺参数和不同的加强剂配比下，对焊接接头的抗拉强度和抗弯强度均有一定影响，其中采用实施例2的加强剂配比所处理的焊接接头性能最优。

3)对照实验例2、4、5，不同的工艺参数和相同的加强剂配比下，对焊接接头的抗拉强度和抗弯强度也有着一定得影响，其中采用实施例4的顶触处理参数的焊接接头性能最优。