专利名称：一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种搅拌摩擦焊的工艺方法，尤其涉及一种在轴肩固定且大直径搅拌针高速旋转情况下的半固态搅拌摩擦焊工艺方法，可实现铝合金、镁合金等金属结构件的搅拌摩擦焊连接。
背景技术：
搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，具有小变形、高强度、无常规熔焊缺陷与绿色无污染等优点。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌工具与工件之间需要非常大的机械作用力，使焊接用夹具必须具有足够的刚度，因此影响搅拌摩擦焊技术在现场制造或修复等许多领域的应用；当焊接热输入不足时，材料的流动性比较差，容易产生隧道、S形线等缺陷。上述问题的产生主要是由该技术的本身特性，即固相连接所造成的。在降低装夹要求方面，研究者提出了基于电阻加热、感应加热、激光加热或等离子弧加热等辅助加热工艺；在避免焊接缺陷方面，研究者提出了基于数值模拟与实验相结合的焊接工艺参数优化方法，这种方法需要花费大量的人力与物力，而在实际焊接过程中由于人为、设备、材料等方面的误差会导致在优化焊接工艺参数下亦会出现常规搅拌摩擦焊的焊接缺陷。事实上，提高焊接过程中搅拌针周围的材料温度即可降低装夹要求与避免由材料流动不足造成的缺陷，因此，这里提出了基于轴肩固定且搅拌针高速旋转情况下的半固态搅拌摩擦焊工艺方法。
发明内容
本发明为了降低搅拌摩擦焊接过程中的装夹要求以及避免由材料流动性不足而导致的容易产生隧道、S形线缺陷等问题，提出了一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法。该方法中采用的搅拌工具由搅拌针和固定轴肩组成，固定轴肩套装在搅拌针上；所述搅拌针的锥角小于5°且沿着焊缝方向以高速旋转，与焊接件相互摩擦产生大量的热，导致焊接件材料温度介于固相线与液相线温度之间，即半固态温度；组成搅拌工具的固定轴肩固定不动且不扎入工件表面，在焊接过程中保持与焊件的紧密贴合。本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是步骤一、将焊件A和焊件B对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A与焊件B 组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A和焊件B均为板材。步骤二、组成搅拌工具的带螺纹搅拌针最大直径大于I. 5倍被焊接工件厚度且锥角小于5°，以1000 5000rpm的转速扎入待焊部位(即焊件A与焊件B的对接面);组成搅拌工具的轴肩固定(即不旋转)且轴肩直径大于2倍的工件厚度；搅拌工具扎入速度为 I 4mm/min，搅拌针扎入工件深度比工件厚度小O. I O. 3mm，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上边面紧密贴合，以便于防止焊接区附近产生飞边缺陷。步骤三、当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌针停止下扎且继续旋转I 5分钟；然后，搅拌工具以50 1000mm/min的速度沿着焊件A与焊件B的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。本发明的有益效果是一、搅拌针的锥角小且高速旋转，与焊接件相互摩擦产生大量的热，导致材料温度介于固相线与液相线温度之间(即半固态温度)，使得搅拌针附近材料的软化程度加大，旋转扭转与前进阻力相应的减少，有效防止隧道、S形线等缺陷的产生，有利于降低装夹要求。二、搅拌工具的轴肩固定且不扎入工件表面，对处于软化状态下的焊接材料进行碾压，可防止搅拌区材料流出焊件，避免飞边缺陷的产生，使焊件的表面质量更好，大大提高了焊接头的力学性能。
图I是搅拌工具的结构示意2是基于搅拌针高速旋转的半固态搅拌摩擦焊接过程示意3是搅拌摩擦焊接过程搅拌工具与两块待焊板材的位置关系中I.搅拌针，2.固定轴肩，3.搅拌工具，4.焊接件A，5.焊接件B。
具体实施例方式参看图I-图3，一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法， 该方法采用的搅拌工具3由搅拌针I和固定轴肩2组成，固定轴肩2套装在搅拌针I上；所述搅拌针I的锥角小于5°且沿着焊缝方向以高速旋转，与焊接件相互摩擦产生大量的热， 导致焊接件材料温度介于固相线与液相线温度之间，即半固态温度；组成搅拌工具3的固定轴肩2固定不动且不扎入工件表面，在焊接过程中保持与焊件的紧密贴合。其中组成搅拌工具3的所述搅拌针I，其最大直径大于I. 5倍被焊接工件的厚度且带外螺纹；组成搅拌工具3的所述固定轴肩2，其直径大于2倍的被焊接工件的厚度。实施例一参看图I 图3，本实施例所述的一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法是按照以下步骤实现的步骤一、将焊件A 4和焊件B 5对接放置且位于同一水平面上(即将焊件A4与焊件B 5组对)，并用夹具装夹在工作台上；所述焊件A 4和焊件B 5均为板材。步骤二、组成搅拌工具3的带螺纹搅拌针I最大直径大于I. 5倍工件厚度T且锥角小于5°，以1000 5000rpm的转速扎入待焊部位(即焊件A 4与焊件B5的对接面)； 搅拌工具3的固定轴肩2 (即不旋转)且轴肩直径大于2倍的工件厚度T ;搅拌工具3扎入速度为I 5mm/min，搅拌针I扎入工件深度H比工件厚度T小O. I O. 3mm，固定轴肩2 不扎入工件，保持固定轴肩2下端面与工件上表面紧密贴合，以便于防止焊接区附件产生飞边缺陷。步骤三、当搅拌工具3达到设定的下扎深度时，搅拌针I停止下扎且继续旋转I 5分钟；然后，搅拌工具3以50 1500mm/min的速度沿着焊件A 4与焊件B 5的对接面水平方向移动，直到焊接完成为止。
实施例二 本实施例在步骤二中，所述的搅拌针I的旋转速度为3000 5000rpm。根据焊件 A4与焊件B5以及搅拌针I的直径的具体情况来选择搅拌针的旋转速度，使工件达到半固态。其它步骤与实施例一相同。实施例三本实施例在步骤三中，所述的搅拌工具3以50 200mm/min的速度沿着水平方向移动。根据焊件A4与焊件B5以及搅拌针I的直径的具体情况来选择搅拌具的移动速度， 使工件达到半固态。其它步骤与实施例一相同。实施例四本实施例在步骤三中，所述的当搅拌工具3达到设定的下扎深度时，搅拌针I停止下扎且继续旋转4 5分钟。根据焊件A4与焊件B5以及搅拌针I的直径的具体情况来选择搅拌针的继续旋转时间，使工件得到充分的预热，使工件更容易达到半固态。其它步骤与实施例一相同。
权利要求
1.一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征是搅拌工具⑶由搅拌针⑴和固定轴肩⑵组成，固定轴肩⑵套装在搅拌针⑴上；所述搅拌针(I)的锥角小于5°且沿着焊缝方向以高速旋转，与焊接件相互摩擦产生大量的热，导致焊接件材料温度介于固相线与液相线温度之间，即半固态温度；组成搅拌工具(3)的固定轴肩(2)固定不动且不扎入工件表面，在焊接过程中保持与焊件的紧密贴合。
2.一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征是组成搅拌工具(3)的所述搅拌针(I)，其最大直径大于I. 5倍被焊接工件的厚度且带外螺纹。
3.一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法，其特征是组成搅拌工具(3)的所述固定轴肩(2)，其直径大于2倍的被焊接工件的厚度。
全文摘要
一种轴肩固定且大直径搅拌针旋转的半固态搅拌摩擦焊接方法，是为解决常规搅拌摩擦焊接过程中装夹要求高、由于搅拌区的材料流动不充分而导致的隧道与S形线等缺陷以及在焊件表面出现飞边缺陷等技术问题而设计的。将焊件A和焊件B对接装夹在工作台上；搅拌工具的搅拌针以1000～5000rpm的转速扎入待焊部位，搅拌工具的固定轴肩不动，轴肩不扎入工件，保持轴肩端面与工件上表面紧密贴合；当搅拌工具达到设定的下扎深度时，搅拌工具以50～1000mm/min的速度沿着焊缝方向移动。本发明中使用的搅拌针锥角小且高速旋转，固定轴端不旋转并套装在搅拌针上，其下端面与待焊件紧密贴合，可避免隧道、飞边等缺陷的产生，减少接头强度的损失。
文档编号B23K20/12GK102581474SQ20121006004
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者吕赞, 姬书得, 岳玉梅, 张利国, 李亮, 许志武 申请人:沈阳航空航天大学