一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法
【专利摘要】本发明公开一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，本方法通过在焊接过程中将超声波施加到焊缝上，实现了焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊，通过超声波改变材料的本构关系，焊前施加的超声振动使材料的变形抗力下降，从而降低焊接过程中搅拌头受到的焊接阻力，提高焊接速度，改善焊接质量，扩大焊接参数可适用范围；焊后施加的超声振动，使得温度较高的焊缝区材料发生晶粒细化，提高接头的力学性能。搅拌头与超声波发生器的变幅杆分体式的设计可以避免一体式设计搅拌针超声振动受巨大下压力阻碍的弊端。
【专利说明】 一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种材料连接方法，具体涉及一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所(TheWelding Institute, TH)发明以来，由于其具有焊接变形低、残余应力小,接头质量好,无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等诸多优点已经在航天、航空、造船、列车、汽车、电力等多个工业制造领域得到广泛应用，被称为“21世纪最具革命性的连接技术之一”。但是由于搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，在搅拌摩擦焊接过程中材料不发生熔化，搅拌头在大的轴向下压力和水平剪切力的作用下，使得焊接速度受到限制，搅拌头易磨损，对焊前装卡也提出了很高的要求。为此，国内外学者通过采用感应热、电阻热、激光或者等离子弧等附加辅助热源的方式来改善焊接过程。随着超声波技术在工业上的应用日益成熟，超声波的各种特性逐渐被有效地应用到工业加工中。有人提出通过在搅拌摩擦焊的过程中复合超声来改善焊接过程，从而可以提高焊接速度和焊接质量。但是，在这种设计中，焊接时较大的轴向压力会对搅拌头的超声振动产生不利影响，这将严重影响超声的实际作用效果，目前相关的报道中仅限于薄板焊接。同时，在将搅拌头和超声的换能器变幅杆连为一体时，需要采用复杂的安装机构。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，通过辅助装置在焊接过程中，直接将超声振动施加在搅拌头前方的待焊试件和搅拌头已经焊完的仍保持较高温度焊缝上的新方法，利用超声振动来降低材料的变形抗力，从而达到提高焊接速度，改善焊接质量，同时焊后进一步利用超声提供的振动能量使得温度较高的焊缝区材料发生晶粒细化，提高接头的力学性能。
[0004]本发明的方法是通过以下步骤实现的:一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，如下:
[0005]步骤一、将两个待焊板材以搭接或者对接的方式置于工作台上，然后用夹具夹紧在工作台上；
[0006]步骤二、由第一超声波换能器的输出头从搅拌头前方5?25mm的待焊接区域先将超声波导入，第一超声波换能器的输出头在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，启动搅拌摩擦焊机，让搅拌头以转速200-1500r/min,焊接速度10-1000mm/min,轴肩下压量0.05-lmm的焊接参数沿焊接方向焊接；
[0007]步骤三、当搅拌头前进一段距离5?25mm后，由第二超声波换能器的输出头从搅拌头后侧的已焊接区域将超声波导入，第二超声波换能器的输出头在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，与第二超声波换能器的输出头相呼应形成焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊。
[0008]本发明还具有如下特征:
[0009]1、超声波换能器输出的振动频率为15?IIOkHz。
[0010]2、超声波换能器的输出头与水平面呈25°?75°夹角。
[0011]3、所述的两个待焊板材均为有色金属。
[0012]本发明通过在焊接过程中将超声波施加到焊缝上，实现了焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊，通过超声波改变材料的本构关系，焊前施加的超声振动使材料的变形抗力下降，从而降低焊接过程中搅拌头受到的焊接阻力，提高焊接速度，改善焊接质量，扩大焊接参数可适用范围；焊后施加的超声振动，使得温度较高的焊缝区材料发生晶粒细化，提高接头的力学性能。搅拌头与换能器变幅杆分体式的设计可以避免一体式设计搅拌针超声振动受巨大下压力阻碍的弊端，并且不改动原有设备，只需添加辅助超声设备即可使用，振动系统适用于各种规格搅拌头，对不同材料不同板厚都具有良好的适应性。和普通搅拌摩擦焊相比，焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊的作用主要体现在以下三个方面:一、焊前辅助超声可以在较小的轴肩压力下获得良好的焊缝成形，从而可以降低搅拌摩擦焊对设备的要求；二、焊前辅助超声可以在提高焊接速度的情况下获得良好的焊缝成形；三、焊后辅助超声，接头微观组织中焊核区和热机影响区晶粒都有所细化，对改善焊缝组织有一定的积极影响，有助于提高焊缝的力学性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法的示意图。
【具体实施方式】
[0014]实施例1
[0015]结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊方法，通过以下步骤实现的:
[0016]步骤一、将两个待焊板材4.5以搭接或者对接的方式置于工作台上，并用夹具装夹在工作台上；
[0017]步骤二、设置第一超声波换能器，将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由第一超声波换能器的输出头I从搅拌头前方5_的待焊接区域先将超声波导入，输出头I可在焊接过程中随着搅拌头沿焊接方向同步移动，启动搅拌摩擦焊机，让搅拌头以转速200r/min,焊接速度10mm/min,轴肩下压量0.05mm的焊接参数沿焊接方向焊接；
[0018]步骤三、设置第二超声波换能器，将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅，当搅拌头3前进一段距离5mm后，由第二超声波换能器的输出头2从搅拌头周围的已焊接区域将超声波导入，输出头2可在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，与输出头I相呼应形成焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊。所述的超声波换能器的变幅杆优选振动频率15kHz。每个输出头与水平面呈25°夹角。
[0019]实施例2[0020]结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊方法，通过以下步骤实现的:
[0021]步骤一、将两个待焊板材4.5以搭接或者对接的方式置于工作台上，并用夹具装夹在工作台上；
[0022]步骤二、设置第一超声波换能器，将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由第一超声波换能器的输出头I从搅拌头前方25_的待焊接区域先将超声波导入，输出头I可在焊接过程中随着搅拌头沿焊接方向同步移动，启动搅拌摩擦焊机，让搅拌头以转速1500r/min,焊接速度1000mm/min,轴肩下压量1_的焊接参数沿焊接方向焊接；
[0023]步骤三、设置第二超声波换能器，将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅，当搅拌头3前进一段距离25mm后，由第二超声波换能器的输出头2从搅拌头周围的已焊接区域将超声波导入，输出头2可在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，与输出头I相呼应形成焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊。所述的超声波换能器的变幅杆优选振动频率IlOkHz0每个输出头与水平面呈75°夹角。
[0024]实施例3
[0025]在本实施方式步骤一中，所述的两个待焊板材均为有色金属。其它步骤与实施例1相同。
【权利要求】
1.一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，方法如下: 步骤一、将两个待焊板材以搭接或者对接的方式置于工作台上，然后用夹具夹紧在工作台上； 步骤二、由第一超声波换能器的输出头从搅拌头前方5~25_的待焊接区域先将超声波导入，第一超声波换能器的输出头在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，启动搅拌摩擦焊机，让搅拌头以转速200-1500r/min,焊接速度10-1000mm/min,轴肩下压量0.05-lmm的焊接参数沿焊接方向焊接； 步骤三、当搅拌头前进一段距离5~25mm后，由第二超声波换能器的输出头从搅拌头后侧的已焊接区域将超声波导入，第二超声波换能器的输出头在焊接过程中随着搅拌头沿着焊接方向同步移动，与第二超声波换能器的输出头相呼应形成焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊。
2.根据权利要求1所述的一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于:超声波换能器输出的振动频率为15~IIOkHz。
3.根据权利要求1所述的一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于:超声波换能器的输出头与水平面呈25°~75°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种焊前焊后双重超声同步振动辅助搅拌摩擦焊接方法，其特征在于:所述的两个 待焊板材均为有色金属。
【文档编号】B23K20/02GK103894721SQ201410102593
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】黄永宪, 万龙, 吕世雄, 郭伟强, 吕宗亮, 王耀彬, 黄体方 申请人:哈尔滨工业大学