一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属焊接技术领域，涉及一种搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法， 具体涉及一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法。
【背景技术】
[0002] 揽摔摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术。通过搅拌针和轴肩与 工件间的摩擦热，在搅拌针的附近形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填 充入搅拌针后方所形成的空腔内，从而实现可靠的连接，它具有焊接接头强度高、焊接工件 变形小、不易广生有害相等优点。
[0003] 搅拌摩擦焊焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织 细化和均匀化，焊接过程中较低的热循环作用，避免了气孔、裂纹等熔焊缺陷的产生，减小 了组织粗化倾向，使焊接接头具有较高的强度和韧性。但由于搅拌摩擦焊焊接过程中产生 了大量的摩擦热和塑性变形热，塑性变形后的细小晶粒容易长大变成粗晶组织，使焊接接 头存在明显的热软化效应，导致焊接接头的强度仍低于母材，特别是钢、钛等高熔点材料焊 接时，最高温度在l〇〇〇°C以上，搅拌头往往是难溶性的贵重金属合金材料或陶瓷材料，焊接 过程中，搅拌头经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，搅拌头容易失效，使寿命下 降，从而导致焊接成本大大提高，同时，高熔点材料焊接时，对焊接温度敏感，搅拌摩擦焊可 焊性变差，较高的温度也使焊缝组织在高温下停留时间较长，晶粒更易长大变成粗晶组织， 焊接接头塑性和强度均较差。因此，急需找到一种有效方法解决目前常规搅拌摩擦焊所面 临的主要问题，以获得晶粒细小，综合性能优良的焊接接头。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种电磁辅助 搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，工艺简单，成本低廉，焊接效率高，搅拌头使用寿命 高，能使焊缝组织晶粒细化，综合性能显著提高。
[0005] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0006] -种电磁辅助搅拌摩擦焊装置，包括位于焊接平台16上方的搅拌头1、与焊接平台 16配合的压板夹具49，以及跟焊接平台16配套使用的冷却系统30;
[0007] 所述搅拌头1包括夹持部分2,夹持部分2下端开设有挡圈槽3,挡圈槽3下端9mm处 开设有M4mm定位螺纹孔8,挡圈槽3下端与最大外径轴台阶7之间套装有隔磁套6,隔磁套6- 侧外壁开设有定位孔9,隔磁套6通过搅拌头1最大外径轴台阶7第一定位，隔磁套6上套装有 强力磁铁5,强力磁铁5内径与隔磁套6外径紧配合，强力磁铁5通过隔磁套6端部的套肩第一 定位，强力磁铁5外径至内径开设有定位孔10，强力磁铁5径向定位孔10与M4mm定位螺纹孔8 和隔磁套6-侧外壁开设的定位孔9三者中心线重合，采用M4mm不锈钢螺钉拧紧使隔磁套6、 强力磁铁5第二定位，强力磁铁5上表面设有隔磁板4,紧靠隔磁板4的挡圈槽3里设有弹性挡 圈11压紧隔磁板4,最大外径轴台阶7下端为过渡圆柱13,过渡圆柱13下端为轴肩14,轴肩下 端为搅拌针15。
[0008] 所述搅拌针15为圆锥台，小头端朝下，圆锥台锥度为1:1.35,小头直径为焊接材料 厚度0.9-1.1倍。
[0009] 所述焊接平台16为两侧带紧固耳的球墨铸铁平台，焊接平台16上表面设置有平行 于长度方向三道未开通的T型槽，中间T型槽17设在宽度中心线上，两侧T型槽18以中间T型 槽17对称布置，两侧T型槽18最中间未开通，未开通区域作为待焊工件焊接工作区，焊接平 台表面下方以长度中心线为对称沿宽度方向开通两个冷却孔19,冷却孔19两端开设有螺纹 孔，螺纹孔装有4个快速接头，焊接平台16底面在长度中心位置沿宽度方向开通矩形槽20， 矩形槽20内放置矩形管21，矩形管21 -端封闭，另一端两侧焊接两个把手23,矩形管21内放 置径向充磁强力磁铁22。
[0010] 所述冷却系统30包括循环风冷冷水机31，循环风冷冷水机31自带有储水箱32和水 栗35，储水箱32上设有最高水位显示窗33，循环风冷冷水机31出水管路37上设置有温度显 示装置34,温度显示装置34与出水管路37相连，出水管路37与流量调节装置29相连，流量调 节装置29设有2个出水41、2个回水42，共4个快速接头，两个出水快速接头41通过PVC软管43 与焊接平台16-端的两个冷却孔19上设置的进水快速接头相连，另两个回水快速接头42通 过PVC软管44与焊接平台16另一端的两个冷却孔上设置的出水快速接头相连，PVC软管耐压 不小于0.6Mpa，耐温不低于100°C。
[0011] 所述的隔磁套6为搅拌头1上圆环形衬套，隔磁套6-端带有套肩，另一端一侧外壁 开设有定位孔9。
[0012] 所述的强力磁铁5为钕铁硼磁铁，径向充磁，表面镀铬，呈圆环状，外径至内径之间 开设有定位孔10，
[0013]所述隔磁板4采用聚氯乙烯(PVC)或纸质材料制得，呈圆环状，外径和内径尺寸与 所述强力磁铁5尺寸一致，厚度1~1.5_。
[0014]本发明细化晶粒的方法是通过以下步骤实现的：
[0015]步骤一、安装搅拌头1，将带有强磁铁5的搅拌头1夹持部分2装入改造的X5032型升 降台铣床旋转主轴12夹持孔中夹紧；
[0016]步骤二、焊件24两端加装导线25,焊接前，将两块不留间隙对接焊工件24两端离端 面2mm处、对接缝两侧10mm处钻两个5mm通孔，两根导线25-端分别放置在工件24两端对接 缝上，采用铆接方法将导线25端部铜鼻子部分26铆紧，两根导线25另一端分别与外加直流 电源27正负极K1、K2连接，焊接时施加直流电流，电流方向与搅拌摩擦焊接方向一致；
[0017] 步骤三、焊件24清理，将待焊工件24对接缝两侧15mm~20mm范围内，先用钢丝刷清 理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干净；
[0018]步骤四、焊件24固定，将焊接平台16固定在所述改造的X5032型铣床升降台28上， 然后将清理干净的对接焊工件24放置在焊接平台16的焊接工作区，工件对接缝与搅拌头1 对正，保证焊接过程中，搅拌头1不偏离对接缝中心，在对接焊工件24两侧，每侧3个，用所述 压板夹具49对称夹紧，对称压板夹具49间距65mm，以不妨碍搅拌头1上安装的q)60mm强力 磁铁旋转5;
[0019]步骤五、放置矩形管21及管内强力磁铁22,将所述矩形管21及管内强力磁铁22放 入矩形槽20内，强力磁铁22放置时与强力磁铁5同名磁极相对，借助管端把手23,在焊接过 程中移动矩形管21，使矩形管21内强力磁铁22随着搅拌头1沿着焊接方向同步移动;所述同 名磁极相对，即两个N极相对或两个S极相对，由于磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S 极，同名磁极相对时，磁感线密集经过焊件对接缝，对接缝处表现出较强的磁场强度，由于 磁场的作用效果可以深入到原子、电子尺度，只要有电子的存在，就会产生一个细小的磁 场，外磁场可以通过对这种小磁场的作用，影响到原子运动和重组，并影响到位错行为，从 而对材料塑性变形能力产生直接的影响，磁致塑性效应有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材 料发生塑性变形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到细化晶粒的作用，焊接接头综合性能 得到显著提高；
[0020] 步骤六、工艺参数选取：
[0021] (1)选取外加电压、电流参数:直流电压为0V~3V，直流电流为100A~400A;
[0022] (2)选取焊接工艺参数：搅拌头1旋转速度为600r/min~1200r/min，焊接速度为 37.5mm/min~90mm/min，轴肩14压入工件表面深度为0.15mm~0.2mm，当电压、电流取上限 时，搅拌头1旋转速度取600r/min~950r/min，焊接速度取60mm/min~90mm/min，当电压、电 流取下限时，搅拌头1旋转速度取950r/min~1200r/min，焊接速度取37.5mm/min~47.5mm/ min；
[0023]步骤七、启动冷却系统30:启动前，先向冷却系统30储水箱31加水，加水量到储水 箱32液位窗33最高点，约20~30L，确保焊接过程对焊接接头的冷却效果，加水后，连接管 路，启动冷却系统30，启动后