一种结合了背面加热与正面激冷的搅拌摩擦焊工艺方法与流程

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，特别是涉及一种结合了背面加热与正面激冷的搅拌摩擦焊工艺方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所在1991年提出的全新的固相焊接技术，其具有优质、节能、无污染等优点，在航空、航天、汽车、船舶等领域已有诸多应用对象。

目前，搅拌摩擦焊技术已经成熟地应用于铝合金等低熔点金属材料，同时相关技术人员也开始尝试将搅拌摩擦焊技术应用于钛合金、钢、镍基高温合金等高熔点金属材料。

以钛合金为例，在对钛合金实施常规搅拌摩擦焊接时，由于钛合金具有低导热系数的特点，这会导致焊缝区域在厚度方向上存在着较大的温度梯度，而较大的温度梯度不但会使沿厚度方向的组织不均匀，而且在焊缝的中下部极易出现撕裂型缺陷。再有，在钛合金的常规搅拌摩擦焊接过程中，较大的作用力与高焊接温度会使搅拌头的磨损情况十分严重。因此，如果不能有效的解决上述问题，会严重限制搅拌摩擦焊技术的应用范围。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种结合了背面加热与正面激冷的搅拌摩擦焊工艺方法，能够实现较低温度峰值下的搅拌摩擦焊接，能够有效避免撕裂型缺陷的发生，有效降低搅拌头磨损，有效提高搅拌摩擦焊接效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种结合了背面加热与正面激冷的搅拌摩擦焊工艺方法，包括如下步骤：

步骤一：将待焊工件进行水平固定装夹，在待焊工件下方的焊缝区域两侧对称设置两个加热器，在搅拌头外侧设置一个激冷保护气护罩，激冷保护气护罩与搅拌头进行随动；

步骤二：启动加热器，通过加热器对待焊工件的背面进行加热，同时保证待焊工件的上表面温度不高于250℃；

步骤三：向激冷保护气护罩内通入激冷保护气，激冷保护气护罩的覆盖范围包含焊缝区域及加热器正上方的待焊工件上表面区域；

步骤四：启动搅拌摩擦焊设备，搅拌头开始旋转，搅拌头旋转速度的取值范围在5～10000r/min之间，控制旋转的搅拌头扎入待焊工件，搅拌头的旋转速度根据待焊工件的温度要求进行设定，搅拌头扎入速度的取值范围在1～5mm/min之间；

步骤五：当搅拌头的轴肩端面与待焊工件的上表面接触后，搅拌头继续下压一段距离后再停止扎入动作，下压距离的取值范围在0～0.3mm之间，直到达到设定的扎入深度；

步骤六：在设定的扎入深度下控制搅拌头继续旋转一段时间，旋转时间的取值范围在0～20s之间，使待焊工件的焊缝区域得到充分预热并使其达到良好的塑性状态；

步骤七：控制搅拌头以设定的焊接速度完成焊缝区域的焊接工作，搅拌头的焊接速度取值范围在1～1000mm/min之间，搅拌头的焊接速度根据待焊工件的焊接要求进行设定。

所述激冷保护气护罩包括前段罩体和后段罩体，前段罩体为倒锥形筒式结构，后段罩体为方形箱式结构，前段罩体套装于搅拌头的外侧，前段罩体的顶端固连在搅拌摩擦焊设备上；在所述后段罩体的顶部设置有保护气进气孔，在保护气进气孔下方的后段罩体内侧设置有通气筛板；所述保护气进气孔通过导气管与保护气气源相连通，在保护气进气孔与保护气气源之间连接有冷却器。

所述激冷保护气护罩下表面与待焊工件上表面的具有间距，间距的取值范围在0～1mm之间。

在所述前段罩体上设置有观察口，通过观察口查看搅拌头与待焊工件上表面的相对位置。

所述导气管采用保温管，在所述激冷保护气护罩内表面贴覆有保温层。

所述加热器安装在移动式支撑定位底座上，所述移动式支撑定位底座包括底板、轨道槽及支撑滑块，在底板中部设置有焊缝承力区，所述轨道槽分布在焊缝承力区两侧，轨道槽与待焊工件的焊缝相垂直；所述支撑滑块位于轨道槽内，支撑滑块与轨道槽直线滑动配合，支撑滑块与底板之间设置有定位锁紧螺栓；所述加热器固定安装在支撑滑块上表面，在加热器外侧设置有工件装夹调整垫片，待焊工件通过工件装夹调整垫片进行近焊缝位置装夹。

所述加热器上表面与待焊工件下表面的具有间距，间距的取值范围在0～1mm之间。

所述焊缝承力区的宽度大于搅拌头的轴肩直径，两者差值的取值范围在0～2mm之间。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，在焊接过程中，通过加热器对待焊工件进行背面加热，能够有效减小焊缝区域在厚度方向上的温度梯度，有效改善组织的不均匀性，同时还可降低局部区域的焊接应力，防止焊缝的中下部出现撕裂型缺陷。

本发明通过加热器对待焊工件进行背面加热，能够有效增加高温区范围，并使邻近焊缝区域的材料具有较小的变形抗力，有利于增加焊缝区域的材料流动，进而改善材料的流动行为，使在较低温度峰值下获得内部无缺陷的待焊工件焊缝接头，从而提高焊缝接头的质量。

本发明通过加热器对待焊工件进行背面加热，能够有效减小搅拌头在移动时的变形抗力，不但可以降低装夹要求，而且可以提高焊接速度，同时又可避免搅拌头折断损坏，进而提高搅拌摩擦焊接效率。

由于焊缝区域在厚度方向上的温度梯度得到减小，从而降低了搅拌头的墩粗程度；由于焊接过程中具有低温度峰值及小变形抗力的优势，改善了搅拌头的使用性能，进而提高了搅拌头的耐磨损和耐墩粗的能力。

本发明首次提出了背面加热与正面激冷相结合的搅拌摩擦焊工艺，通过正面激冷，可在搅拌头后方形成一个马鞍形温度场，有利于降低焊接残余变形；通过背面加热，能够有效利用焊缝两侧材料的升温差异，进而产生温差拉伸效应，也能够起到降低焊接残余变形的效果。

本发明的激冷保护气护罩采用了前段罩体与后段罩体的两段式设计，特别是通过后段罩体可有效保护搅拌头后方的焊缝区高温材料。

本发明能够有效满足钛合金、钢、镍基高温合金等高熔点金属材料的搅拌摩擦焊，有效扩展了搅拌摩擦焊技术的应用范围。

附图说明

图1为采用本发明所实施的搅拌摩擦焊接示意图；

图2为激冷保护气护罩与保护气气源的连接示意图；

图3为移动式支撑定位底座的结构示意图；

图4为支撑滑块的结构示意图；

图5为激冷保护气护罩、加热器与待焊工件之间的焊接位置示意图；

图中，1—待焊工件，2—加热器，3—搅拌头，4—激冷保护气护罩，5—搅拌摩擦焊设备，6—前段罩体，7—后段罩体，8—保护气进气孔，9—通气筛板，10—导气管，11—保护气气源，12—冷却器，13—底板，14—轨道槽，15—支撑滑块，16—焊缝承力区，17—定位锁紧螺栓，18—工件装夹调整垫片，19—观察口，20—移动式支撑定位底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例中，待焊工件1为厚度为2mm的钛合金板材，加热器2的宽度为15mm。

一种结合了背面加热与正面激冷的搅拌摩擦焊工艺方法，包括如下步骤：

步骤一：将待焊工件1进行水平固定装夹，在待焊工件1下方的焊缝区域两侧对称设置两个加热器2，在搅拌头3外侧设置一个激冷保护气护罩4，激冷保护气护罩4与搅拌头3进行随动；

步骤二：启动加热器2并升温至480℃，通过加热器2对待焊工件1的背面进行加热，同时保证待焊工件1的上表面温度不高于250℃；

步骤三：向激冷保护气护罩4内通入激冷保护气，激冷保护气护罩4的覆盖范围包含焊缝区域及加热器2正上方的待焊工件1上表面区域；

步骤四：启动搅拌摩擦焊设备5，搅拌头3开始旋转，搅拌头3旋转速度的实际取值为100r/min，控制旋转的搅拌头3扎入待焊工件1，搅拌头3扎入速度的实际取值为3mm/min；

步骤五：当搅拌头3的轴肩端面与待焊工件1的上表面接触后，搅拌头3继续下压一段距离后再停止扎入动作，下压距离的实际取值为0.15mm，直到达到设定的扎入深度；

步骤六：在设定的扎入深度下控制搅拌头3继续旋转一段时间，旋转时间的实际取值为15s，使待焊工件1的焊缝区域得到充分预热并使其达到良好的塑性状态；

步骤七：控制搅拌头3以设定的焊接速度完成焊缝区域的焊接工作，其焊接示意图如图1所示；搅拌头3焊接速度的实际取值为30mm/min。

如图2～5所示，所述激冷保护气护罩4包括前段罩体6和后段罩体7，前段罩体6为倒锥形筒式结构，后段罩体7为方形箱式结构，前段罩体6套装于搅拌头3的外侧，前段罩体6的顶端固连在搅拌摩擦焊设备5上；在所述后段罩体7的顶部设置有保护气进气孔8，在保护气进气孔8下方的后段罩体7内侧设置有通气筛板9；所述保护气进气孔8通过导气管10与保护气气源11相连通，在保护气进气孔8与保护气气源11之间连接有冷却器12。

本实施例中，前段罩体6的顶端与搅拌摩擦焊设备5通过法兰结构件相固连；在后段罩体7内的通气筛板9上均布有若干圆孔，冷却后的保护气流过通气筛板9上的若干圆孔后，可以均匀的覆盖到焊缝区域以及焊缝区域两侧的部分，从而达到气体保护和激冷降温的双重作用；冷却器12为热交换式冷却器，常温保护气与低温冷却液在冷却器12进行逆流热交换，流出冷却器12的保护气便可用于激冷降温，根据激冷降温需要，可以适时调整保护气的温度；后段罩体7覆盖范围的宽度设为Z，宽度Z需要根据焊缝区域及加热器2正上方的待焊工件1上表面区域的改变而调整。

所述激冷保护气护罩4下表面与待焊工件1上表面的具有间距H1，间距H1的实际取值为0.5mm。

在所述前段罩体6上设置有观察口19，通过观察口19查看搅拌头3与待焊工件1上表面的相对位置。

为了避免激冷保护气在传输过程中进行不必要的热交换作用，保证温度的稳定，所述导气管10采用保温管，在所述激冷保护气护罩4内表面贴覆有保温层。

所述加热器2安装在移动式支撑定位底座20上，所述移动式支撑定位底座20包括底板13、轨道槽14及支撑滑块15，在底板13中部设置有焊缝承力区16，焊缝承力区16的宽度为15mm，所述轨道槽14分布在焊缝承力区16两侧，轨道槽14与待焊工件1的焊缝相垂直；所述支撑滑块15位于轨道槽14内，支撑滑块15与轨道槽14直线滑动配合，支撑滑块15与底板13之间设置有定位锁紧螺栓17；所述加热器2固定安装在支撑滑块15上表面，在加热器2外侧设置有工件装夹调整垫片18，待焊工件1通过工件装夹调整垫片18进行近焊缝位置装夹。

所述加热器2上表面与待焊工件1下表面的具有间距H2，间距H2的实际取值为0.5mm。

所述焊缝承力区16的宽度大于搅拌头3的轴肩直径，两者差值的实际取值为1mm。

本实施例中，轨道槽14采用燕尾槽结构，支撑滑块15为燕尾结构，通过支撑滑块15在轨道槽14内移动，实现对加热器2位置的调整，将加热器2内侧面到焊缝中心线的距离设为L，由于钛合金具有的低导热系数特点，L的取值范围在0～50mm之间即可，本实施例中，L实际取值为20mm。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。