本发明涉及一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的低熔点合金搅拌摩擦焊接装置及方法。
背景技术：
在搅拌摩擦焊技术领域，复合热源焊接方法成为延展该项技术适用范围的有效手段，如搅拌摩擦焊与超声能量的复合(cn100368139、cn201210059054.6)、搅拌摩擦焊与电阻加热的复合(cn200910103686.6、cn200710092974.7)、搅拌摩擦焊与电弧或旁轴激光的复合(cn100335228、cn201010531877)。通过额外施加焊接能量，可以有效软化被焊材料，降低焊接所需的顶锻力和前进力要求。但是，由于传统的旁轴电弧或激光辅助热源搅拌摩擦焊存在加热范围过宽的问题，容易导致接头力学性能下降，并产生较大的变形和残余应力；而电阻热辅助搅拌摩擦焊，必须解决高转速搅拌工具与静止电源的有效导通问题，也同样存在能量分散在接触电阻、工具本体等问题，难以将能量直接有效地传递到摩擦界面；超声能量辅助焊接需要对焊接工具施加超声振动，超声能量转换的热量相对分散且无法适应高速焊接要求，过大的超声振动还有可能导致机床损坏或影响焊接稳定性。另一种同轴辅助加热方法则提供了一种可行有效的手段，其热源类型限于光源热(cn201210498493.7、us6776328b2)，这是由于光热源(激光、红外辐照等)具有精确聚焦和瞬时光热转换的优势。但也存在设备成本较高，系统较复杂等问题，与实际工程应用尚有距离。
因此，虽然现有的复合热源方法为提高传统搅拌摩擦焊技术的适用性提供了一定支持，但各类方法仍存在不同的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的焊接装置及方法，能够解决现有复合热源搅拌摩擦焊的相关技术问题。
为解决上述问题，本发明提供一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的焊接装置，包括带有中空腔体的搅拌摩擦焊工具本体，以及置于搅拌摩擦焊工具本体中空腔体内的电弧钨极。
进一步地，在所述搅拌摩擦焊工具本体的搅拌针或搅拌头的内部中心设置空隙；在所述空隙内填充高导热圆柱材料。
进一步地，在搅拌摩擦焊工具本体的上部设置散热形状和冷却结构，所述冷却结构采用压缩空气或水雾冷却。
进一步地，所述搅拌摩擦焊工具本体为无针搅拌工具。
进一步地，所述搅拌摩擦焊工具本体采用钨、钼合金、硬质合金、陶瓷材料或铁基高合金钢制造。
本发明提供的另一技术方案是一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的焊接方法，包括：
将带有中空腔体的搅拌摩擦焊工具本体放置于焊接工件上的焊接区域；
在所述中空腔体中内置接入电源的电弧钨极，由电弧钨极产生电弧焊炬实施对所述搅拌摩擦焊工具本体的加热，通过热传导与摩擦热实现同轴原位复合焊接。
进一步地，所述搅拌摩擦焊工具本体的中空腔体直径分别大于电弧钨极和电弧焊炬的直径。
进一步地，当所述电弧钨极为单钨极时，将所述电弧钨极接入电源阴极，将焊接工件接入电源的阳极，电弧电流通过电弧钨极、搅拌摩擦焊工具本体与焊接区域进行导通。
进一步地，当所述电弧钨极为双钨极时，采用交流电弧实现对所述电弧钨极的交替冷却，并设置强迫冷却装置；搅拌头内部底部设置出风孔，电弧焊炬中心采用惰性气体将间接电弧热吹向搅拌头被加热区域。
进一步地，所述电弧焊炬采用的辅助电弧热源为采用间接电弧或直接电弧，所述电弧焊炬的类型包括为tig电弧、氦弧、微束等离子弧、微束tig电弧。
与现有技术相比，本发明采用同轴电弧热源辅助的热耦合方式，具有与光能热致辅助同轴加热的原位复合特点，都能够实现将辅助热与摩擦热的无隙原位耦合，不会增加焊接过程的加热范围。与此同时，将原有的激光束加热方式改进为电弧加热方式，降低了装备成本和控制复杂程度，并具有更好的工程适应性。
附图说明
图1为本发明直接电弧-搅拌摩擦复合焊接过程示意图；
图2为本发明的间接电弧-搅拌摩擦复合焊接过程示意图；
其中，1为电弧钨极，2为电弧焊炬，3为高导热圆柱材料，4为搅拌工具本体，5为焊接区域，6为焊接工件。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
针对薄壁构件的搅拌摩擦焊，所采用的热源辅助复合焊接方法必须着重解决如下几个问题：
(1)降低搅拌摩擦焊工具旋转速度，提高焊接过程稳定性：传统的中厚板(6-15mm壁厚)搅拌摩擦焊一般采用工具旋转速度在2000rpm以下，设备及焊接过程的稳定性基本能够保证；但是对于薄壁构件焊接，随着壁厚减小，所需要的焊接旋转速度大幅度增加，这为设备的高转速稳定性、焊接安全性、焊接过程稳定性带来不利影响。这是由于薄壁构件焊接时搅拌工具尺寸相应降低，摩擦产热不足。
(2)降低设备高负载要求：在传统的搅拌摩擦焊过程中，焊接工具承受扭矩、顶锻力、前进抗力以及焊接过程的冲击载荷，这一方面对设备刚性要求提高，造成设备成本高，另一方面导致搅拌摩擦焊工具容易断裂损坏，影响焊接过程稳定性和危害焊接质量。
(3)提高焊接柔性：搅拌摩擦焊过程通过焊接工具与工件的接触摩擦，局部搅拌锻造实现连接，通常认为焊接工具与工件为刚性接触，通常要求对被焊工件实施刚性固定，因此往往采用大刚性工装实施装卡。而如果一旦出现装卡刚度不足或存在与工件的贴合间隙，则往往容易造成焊接缺陷。此外，传统搅拌摩擦焊为了获得致密的焊缝或避免焊接过程缺陷产生，往往采用焊接倾角的焊接方式，在一些复杂曲线焊缝的焊接时，倾角带来的方向性要求设备具有倾角跟随功能，提高了设备的复杂程度，并且在大曲率焊缝焊接时由于倾角跟随速度的滞后限制了焊接工艺参数的选取，同样容易造成焊接缺陷。
(4)具有更低的设备成本，易于实施和操作。辅助热源必须成本低廉、设备整体系统简单可靠，能够满足工程应用的实际需求。
本发明思想即是充分考虑了上述需求，提出采用电弧热源的同轴原位加热辅助搅拌摩擦焊方法，解决现有复合热源搅拌摩擦焊的相关技术问题。
本发明提供一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的焊接方法，包括：
将带有中空腔体的搅拌摩擦焊工具本体4放置于焊接工件6上的焊接区域5，在所述中空腔体中内置接入电源的电弧钨极1，由电弧钨极1产生电弧焊炬2实施对所述搅拌摩擦焊工具本体4的加热，通过热传导与摩擦热实现同轴原位复合焊接。
本发明的焊接方法一实施例中，所述搅拌摩擦焊工具本体4的中空腔体直径分别大于电弧钨极1和电弧焊炬2的直径，实现述搅拌摩擦焊工具本体4的中空腔体可容纳接入电弧钨极1及电弧焊炬2。
本发明的焊接方法一实施例中，还包括：
在所述搅拌摩擦焊工具本体4的搅拌针或搅拌头的内部中心设置空隙；
在所述空隙内填充高导热圆柱材料3。
本发明的焊接方法一实施例中，在所述空隙内填充高导热圆柱材料3，包括：：
采用钎焊的方式在所述空隙内填充高导热圆柱材料3，以实现电弧热能高效导入焊缝底部。
本发明的焊接方法一实施例中，还包括：
当所述电弧钨极1为单钨极时，将所述电弧钨极1接入电源阴极，将焊接工件6接入电源的阳极，电弧电流通过电弧钨极1、搅拌摩擦焊工具本体4与焊接区域进行导通。
本发明的焊接方法一实施例中，所述方法还包括：
当所述电弧钨极1为双钨极时，采用交流电弧实现对所述电弧钨极1的交替冷却，并设置强迫冷却装置。
本发明的焊接方法一实施例中，所述搅拌摩擦焊工具本体4优选采用高熔点材料制造，包括钨、钼合金等，亦可采用高温合金或其它具有高温强度的材料制造。
本发明的焊接方法一实施例中，还包括：
在搅拌摩擦焊工具本体4的上部设置散热形状和冷却结构，所述冷却结构采用压缩空气或水雾冷却，保证焊接工具上部处于正常使用温度下，避免影响工具与主机头的配合和扭矩传递。
本发明的焊接方法一实施例中，所述电弧焊炬2采用的辅助电弧热源可采用间接电弧或直接电弧，所述电弧焊炬2可为tig电弧、氦弧、微束等离子弧、微束tig电弧等。
图1为本发明直接电弧-搅拌摩擦复合焊接过程示意图；图2为本发明的间接电弧-搅拌摩擦复合焊接过程示意图。
本发明的焊接方法一实施例中，所述搅拌摩擦焊工具本体4可为无针搅拌工具，电弧热用于弥补搅拌工具中心产热不足。
本发明公开了一种电弧热源与摩擦热源同轴原位复合的低熔点合金搅拌摩擦焊接方法，旨在实现低转速、低机械负载条件下的高质量可靠连接，属于焊接技术领域。本发明采用中空高熔点金属搅拌摩擦焊工具，焊接时搅拌摩擦焊工具旋转并沿焊缝前进，实施正常的搅拌摩擦焊焊接过程；与此同时，位于中空搅拌工具本体4中的接入电源的电弧钨极1之间电弧焊炬2，加热搅拌工具本体，通过搅拌针中心的高导热圆柱材料3及搅拌工具本体材料，将电弧能量传递至被焊接区域5。本发明能够在无倾角焊接条件下实现铝合金及镁合金构件可靠固相连接，解决传统搅拌摩擦焊对设备高转速、大负载及焊接倾角的要求，可提高焊接过程柔性及接头质量稳定性。本发明可以解决薄壁铝合金、镁合金构件的固相焊接难题。
本发明是通过如下方法实现两种热源的耦合处理的：搅拌摩擦焊工具由轴肩、搅拌针、工具本体及散热结构组成，搅拌工具中空可实现对电弧焊枪的伸入。在搅拌针中心，加工出一个直径1-2mm左右的圆孔，孔径的具体大小视搅拌针直径大小而定，在保证搅拌针强度的情况下计算确定该小孔直径，小孔可为通孔。加工出该小孔后，可采用具有高导热效果的钎料进行钎焊填充，典型的如ag基钎料。这一创新设计具有如下优势：一方面单采用单钨极电弧时，在钨极与高速旋转的焊接工具之间产生窄间隙电弧放电，基于电弧最小电压原理，电弧会自动选择具有容易导电的部位产生稳定电流，可以实现对电弧稳定维持在中空搅拌工具底部；另一方面，这一高导热材料的存在将有利于将电弧热高效传导至焊缝底部，实现对搅拌摩擦焊焊缝背面弱连接等缺陷的有效抑制。
本发明具有两种电弧加热辅助模式，一种是非转移弧，电弧在两个钨极之间产生，电弧等离子体由焊枪内部的气体吹出，实现对搅拌工具的加热。此时搅拌工具轴肩周向设置出气孔，焊接电弧不依赖搅拌工具独立存在，实现对焊接工具自内而外的加热。另一种电弧是在钨极和搅拌头之间产生电弧，钨极作为阴极、搅拌头作为阳极，电流从钨极到搅拌工具再到焊接工件之间导通。焊接时，搅拌工具接触工件时，会触发焊接电源引弧，从而实现在搅拌头与钨极之间的电弧燃烧，而钨极与搅拌头之间的间距可采用一定的机构设计，实现机械式固定并可进行实时补充钨极烧损，实现短电弧的稳定燃烧。
本发明还涉及另一种无针型的搅拌摩擦焊情况，即在薄壁构件焊接时，搅拌工具轴肩与搅拌针无明显过渡界限，通过搅拌工具对材料的整体顶锻、转移实现焊接。此时电弧热辅助主要用于弥补搅拌头中心产热不足的问题，可提高材料的流动性和转移效率，并降低所需要的焊接旋转速度。这一复合热源焊接方式，由于有效降低了搅拌头的旋转速度，对于材料施加的离心力会降低，有助于减少无针搅拌摩擦焊容易出现的沟槽等成形缺陷，提高焊接过程的稳定性。
本发明采用同轴电弧热源辅助的热耦合方式，具有与光能热致辅助同轴加热的原位复合特点，都能够实现将辅助热与摩擦热的无隙原位耦合，不会增加焊接过程的加热范围。与此同时，将原有的激光束加热方式改进为电弧加热方式，降低了装备成本和控制复杂程度，并具有更好的工程适应性。
综上，本发明为进一步解决铝合金、镁合金构件对焊接设备、焊接工艺稳定性和柔性的要求而采用的技术方案为：一种同轴加热辅助搅拌摩擦焊方法，包括如下技术要点：
1)搅拌工具开有内部空腔可进行电弧钨极1和电弧焊炬2的伸入，电弧焊炬2在搅拌头底部燃烧，电弧热通过加热搅拌头，搅拌头表现为局部高温，焊接时，局部高温的搅拌头与周围母材实现接触传热，从而实现电弧对母材的间接加热。搅拌头的热传导与搅拌头摩擦产热实现原位耦合，共同为焊接过程提供热能，实现对母材的软化，改善材料的局部流动特性；
2)本发明为了解决传统搅拌摩擦焊焊缝底部容易出现未焊透或弱连接缺陷的固有工艺特点，为了将电弧辅助热源引入焊缝底部，提出在搅拌工具中心设置高导热材料填充圆柱，一方面可实现对电弧的稳定燃烧拘束，另一方面则更容易将电弧热导入焊缝底部，以解决焊缝深度方向产热不足、流动性差导致的焊接缺陷问题。
本发明的关键创新在于：采用了电弧热(包括直接电弧与非转移弧)与搅拌工具的同轴复合方式，实现了电弧热能与焊接工具摩擦热的瞬时原位耦合，既保留了搅拌摩擦焊固相连接的焊缝质量优异的优势，也利用了电弧成本低、加热过程简单的优势，适合于中小厚度铝合金、镁合金等材料结构的高质量、高可靠性连接。该方法进一步降低了搅拌摩擦焊对设备的要求，并提高了焊接过程可靠性，具有重要的工程应用价值。
在本发明中，典型的搅拌针内置高导热圆柱材料(3)直径为1～2mm，具体的搅拌针内置圆柱直径与搅拌针的外径相关，在不明显降低搅拌针承载能力的条件下可进一步扩大内置高导热圆柱材料直径。搅拌工具的旋转速度范围为500～2000rpm，典型的焊接电流为10-100a，典型的焊接工件壁厚1～5mm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。