一种夹头供电辅助复合式双轴动态搅拌摩擦焊接方法与流程

本发明属于搅拌摩擦焊与成形技术领域，具体涉及一种夹头供电辅助复合式双轴动态搅拌摩擦焊接方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊(fsw)是一项固相焊接技术，最初用于低熔点金属(如铝合金和镁合金等)的连接，由于在fsw过程中没有材料的熔化，所以该技术可避免传统熔化焊中常见的裂纹、气孔和变形等问题，并且对操作和设备要求较低。虽然对搅拌摩擦焊技术的研究已越来越深入，但该技术仍存在不足之处。

搅拌摩擦焊主要通过搅拌头对工件的搅拌，依靠摩擦生热使工件接缝周围的金属被加热到塑性状态实现工件的连接，焊接过程需要通过搅拌头施加较大的压紧力和搅拌头向前运动的力。因此，在搅拌摩擦焊特殊的高温环境下，焊接熔点较高的金属材料时，搅拌头磨损较为严重且设备一般比较笨重和复杂。另外，焊接熔点高、厚度大的材料时，焊接速度往往较低。焊接时，待焊工件需要刚性固定，对设备装夹要求较高，焊缝的背面需要加垫板进行刚性支撑。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种夹头供电辅助复合式双轴动态搅拌摩擦焊接方法，可以使焊接作用力减小，减轻搅拌头的磨损，极大的延长搅拌头的寿命；简化焊接设备和夹具安装要求，实现大厚度工件的搅拌摩擦焊接，提高焊接速率，减少焊接缺陷，提高焊接接头的强度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种夹头供电辅助复合式双轴动态搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

1)待焊工件的装夹：将第一待焊工件1和第二待焊工件2通过负极动态夹持头3、正极动态夹持头4、第一导向预紧轮5和第二导向预紧轮6装夹固定在焊接工作台上，使第一待焊工件1和第二待焊工件2只能随焊接工作台沿接缝方向移动；第一待焊工件1和第二待焊工件2之间为无间隙对接，第一导向预紧轮5和第二导向预紧轮6需要进行绝缘处理；

2)待焊工件的预热：正极动态夹持头4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、负极动态夹持头3通过导线11和直流开关电源10连接形成闭合电流回路，直流开关电源10上电，电流流过待焊工件内部产生电阻热，使第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝处的金属材料软化；直流开关电源10提供500～2000a的电流，电压为3～20v；

3)搅拌摩擦焊接：高速旋转的第一搅拌头7和第二搅拌头8分别扎入第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的两侧，轴肩b对接缝处施加顶锻压力，使接缝处的金属组织在搅拌头的搅拌作用下达到塑化状态，第一搅拌头7和第二搅拌头8的转速为500～1500转/分钟；同时，第一搅拌头7和第二搅拌头8上连接的超声波激振器9打开，沿第一搅拌头7和第二搅拌头8轴线a-a方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化；然后，第一待焊工件1和第二待焊工件2随焊接工作台沿着接缝的方向向前进给运动，进给速度为50～300mm/min，塑化的金属在第一搅拌头7和第二搅拌头8的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针a移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成最终焊缝1-2，从而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的搅拌摩擦焊接。

所述的第一搅拌头7和第二搅拌头8设有搅拌针a和轴肩b，采用工具钢制作而成，其中轴肩b的端面为平面型，加热和软化被焊接材料、包拢塑化的金属并对焊缝施加顶锻压力，促使焊缝成形光滑平整，搅拌针a为锥形的且锥面上有凹槽，使处于高塑性状态的金属保持上下运动的同时，沿着搅拌针a从前向后流动。

所述的负极动态夹持头3和正极动态夹持头4由夹持座和滚珠组成，夹持座和滚珠采用导电材料制作而成，夹持座外壳需进行绝缘处理。

本发明具有以下优点：

1.与传统搅拌摩擦焊接技术相比，本发明利用直流开关电源10提供电阻热源辅助搅拌摩擦焊接，接缝处接触面及邻近区域产生的电阻热使接缝处的金属材料软化，电阻热在搅拌摩擦焊接过程中可以细化焊核区的晶粒组织，提高焊接接头的质量和强度；电阻热使焊接作用力减小，减轻搅拌头的磨损，极大的延长了搅拌头的寿命；简化焊接设备和夹具安装要求，实现大厚度工件的搅拌摩擦焊接，提高焊接速率，减少焊接缺陷，提高焊接接头的强度。

2.采用动态夹持的装夹方式，可以实现长直焊缝的自动化搅拌摩擦焊接，提高搅拌摩擦焊接设备的灵活性，扩充焊接设备的焊接能力，实现待焊工件的流水化焊接。

3.采用超声波激振器9沿第一搅拌头7和第二搅拌头8轴线a-a方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，焊缝处的金属内部组织产生高频振动，材料活性增强，降低搅拌摩擦焊接过程中金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化，尽可能减小以致避免焊缝处热机影响区和热影响区的形成，从而使所形成最终焊缝1-2的金属组织形态达到近似完全形成焊核的程度。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法的原理示意图。

图3是第一搅拌头7和第二搅拌头8的结构图，图(a)是主视图，图(b)是俯视图。

图4是焊接加工所得工件的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1、图2、图3和图4，一种夹头供电辅助复合式双轴动态搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

1)待焊工件的装夹：将第一待焊工件1和第二待焊工件2通过负极动态夹持头3、正极动态夹持头4、第一导向预紧轮5和第二导向预紧轮6装夹固定在焊接工作台上，负极动态夹持头3和正极动态夹持头4限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在第一搅拌头7和第二搅拌头8轴线a-a方向上的自由度，第一导向预紧轮5和第二导向预紧轮6限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在沿第一待焊工件1和第二待焊工件2水平b-b方向上的自由度，使第一待焊工件1和第二待焊工件2只能随焊接工作台沿接缝方向移动；第一待焊工件1和第二待焊工件2之间为无间隙对接，负极动态夹持头3和正极动态夹持头4由夹持座和滚珠组成，夹持座和滚珠采用导电材料制作而成，夹持座外壳需进行绝缘处理，用来对待焊工件进行动态夹持和作为电阻热源的电极；第一导向预紧轮5和第二导向预紧轮6需要进行绝缘处理，防止设备发生漏电危险；装夹之前，需要对第一待焊工件1和第二待焊工件2的接合面进行清洁处理，去除油污即可，不需要去除氧化膜；

2)待焊工件的预热：正极动态夹持头4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、负极动态夹持头3通过导线11和直流开关电源10连接形成闭合电流回路，直流开关电源10上电，电流方向如图2中导线11上的箭头标注方向所示；电流流过待焊工件内部产生电阻热，高速旋转的第一搅拌头7和第二搅拌头8分别扎入第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的两侧后，通过第一搅拌头7和第二搅拌头8的轴肩对接缝处施加正压力，利用电流通过第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝处接触面及邻近区域产生的电阻热使接缝处的金属材料软化；电阻热在搅拌摩擦焊接过程中可以细化焊核区的晶粒组织，提高焊接接头的质量和强度；直流开关电源10提供500～3000a的电流，电压为3～20v；

3)搅拌摩擦焊接：高速旋转的第一搅拌头7和第二搅拌头8分别扎入第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的两侧，压入深度为0.1～1mm，轴肩b对接缝处施加顶锻压力，使接缝处的金属组织在搅拌头的搅拌作用下达到塑化状态，第一搅拌头7和第二搅拌头8的转速为500～1500转/分钟；同时，第一搅拌头7和第二搅拌头8上连接的超声波激振器9打开，沿第一搅拌头7和第二搅拌头8轴线a-a方向对接缝处塑化的金属进行微锻处理，焊缝处的金属内部组织产生高频振动，材料活性增强，降低搅拌摩擦焊接过程中金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，使焊缝处的金属组织晶粒得到细化；然后，第一待焊工件1和第二待焊工件2随焊接工作台沿着接缝的方向向前进给运动，进给速度为50～300mm/min，塑化的金属在第一搅拌头7和第二搅拌头8的搅拌及挤压作用下，不断填充到搅拌针移动后所形成的空腔中，并逐渐冷却凝固形成最终焊缝1-2，从而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接缝的搅拌摩擦焊接。

参照图3，所述的第一搅拌头7和第二搅拌头8设有搅拌针a和轴肩b，采用工具钢制作而成，其中轴肩b的端面为平面型，加热和软化被焊接材料、包拢塑化的金属并对焊缝施加顶锻压力，促使焊缝成形光滑平整，搅拌针a为锥形的且锥面上有凹槽，使处于高塑性状态的金属保持上下运动的同时，沿着搅拌针a从前向后流动。