一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备的制作方法

本实用新型涉及搅拌摩擦焊焊接技术领域，尤其涉及的是一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备。

背景技术：

我国从2002年引入搅拌摩擦焊技术以来，在航天、航空、高铁、船舶等行业，搅拌摩擦焊都取得重大成绩。

但是现有技术中的搅拌摩擦焊技术在无论是同性金属材料焊接还是异性金属材料焊接时，都不能象其它焊接方式哪样，通过焊条和其它焊接介质，在焊接过程添加有益的金属元素和非金属元素，改变焊缝的金相属性，以便更好的改变和提高焊缝的拉伸强度屈服强度，延伸性等指标，以达到理想的焊接工艺设计指标，以适应不同的应用场景。

尤其是在一些特殊的异性金属材料进行焊接时，焊缝的拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数远低于焊接母材、母板的指标参数，难以保证焊接质量。

因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备，使金属材料件在搅拌磨擦焊的焊接过程中，可以添加有益的金属元素和非金属元素，以提高焊缝质量。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备，其中，所述焊接工艺设备包括：工作台；

设置在所述工作台上的加工件固定装置；

设置在所述加工件固定装置的第一金属材料件与第二金属材料件，所述第一金属材料件与所述第二金属材料件为异性金属材料件或同性金属材料件；

设置在所述第一金属材料件与所述第二金属材料件之间的添加介质，所述添加介质由按比例预制好的对焊缝有益的金属元素和非金属元素所组成的金属材料件；

设置在所述工作台上的摩擦焊焊接控制装置，所述摩擦焊焊接控制装置用于将所述第一金属材料件与第二金属材料件以及添加介质搅拌粉碎并混合均匀，以形成新的焊缝金相属性。

在一种实施方式中，所述添加介质为具有1～n种金属元素和/或非金属元素按比例预制成的合金体、单晶体、合金粉未或单晶粉未。

在一种实施方式中，所述加工件固定装置为用于将所述第一金属材料件与所述第二金属材料件与所述的添加介质夹紧，以使所述第一金属材料件与第二金属材料件并排固定在所述工作台上的第一夹紧装置；且所述第一金属材料件与所述第二金属材料件为平板型。

在一种实施方式中，所述摩擦焊焊接控制装置为设置在所述工作台的上方的摩擦焊焊头和焊头前端的搅拌针，所述摩擦焊焊头前端的搅拌针用于在高速旋转时将所述第一金属材料件与第二金属材料件以及所述添加介质搅拌粉碎并混合均匀，并在所述摩擦焊焊头的旋转和压力下形成所述焊缝金相属性。

在一种实施方式中，所述添加介质位于所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的对焊缝处的内凹槽内或焊缝之间。

在一种实施方式中，当所述添加介质位于所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的对焊缝处的内凹槽时，所述内凹槽包括设置在所述第一金属材料件上的第一内凹槽以及设置在所述第二金属材料件上，且与所述第一内凹槽匹配的第二内凹槽。

在一种实施方式中，所述第一内凹槽与所述第二内凹槽的形状与尺寸均相同，且当所述添加介质为合金体或者单晶体时，所述添加介质的形状与所述内凹槽的形状相同。

在一种实施方式中，所述内凹槽设置为三角形、方形、棱形、圆形以及扁平形中的任意一种。

在一种实施方式中，当所述添加介质位于所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的焊缝之间时，所述工作台上还设置有用于对所述添加介质夹紧与固定的第二夹紧装置；且所述第一金属材料件与所述第二金属材料件位于所述第二夹紧装置上；所述添加介质固定在所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的焊缝之间，且与所述第二金属材料件与所述第二金属材料件紧密贴合。

在一种实施方式中，当所述添加介质固定在所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的焊缝之间时，所述添加介质的高度不高于所述第一金属材料件与所述第二金属材料件的厚度。

在一种实施方式中，所述添加介质为合金体扁平板或1～n个同厚度或不同厚度的单晶体片。

在一种实施方式中，所述加工件固定装置为对立设置的两个旋转装置或为一个旋转装置和一个固定装置，所述两个旋转装置或一个旋转装置和一个固定装置分别用于固定所述第一金属材料件与所述第二金属材料件；且所述所述第一金属材料件与所述第二金属材料件中两个同为圆柱体或其中任意一个为圆柱体。

在一种实施方式中，所述添加介质设置在所述第一金属材料件和/或所述第二金属材料件的顶端的内凹槽内。

在一种实施方式中，所述摩擦焊焊接控制装置为与所述旋转装置连接的旋转驱动装置，所述旋转驱动装置控制两个或一个旋转装置旋转，以使所述第一金属材料件与所述第二金属材料件彼此接触并在旋转摩擦的过程中产生高温，并将所述第一金属材料件与第二金属材料件以及所述内凹槽内的添加介质熔化混合均匀，并在高速旋转和压力下形成所述焊缝金相属性。

在一种实施方式中，所述内凹槽的形状为扁平圆形、三角形、方形、棱形、以及扁平圆形中的任意一种。

本实施新型的技术效果：本实用新型通过将待焊接金属材料件的焊缝两端的金属材料和添加介质在搅拌磨擦焊的焊接过程中，充分搅拌混合均匀并形成新的焊缝，由于混合了添加介质改变了原第一金属材料件与第二金属材料件直接进行搅拌磨擦焊焊缝的金相属性，因此形成的新焊缝改变/提高了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

附图说明

图1是本实用新型提供的搅拌摩擦焊焊接工艺设备的第一实施例的结构示意图。

图2是本实用新型提供的搅拌摩擦焊焊接工艺设备的第二实施例的结构示意图。

图3是本实用新型提供的搅拌摩擦焊焊接工艺设备的第二实施例的结构示意图。

图4是图1中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备中内凹槽为三角形的结构图。

图5是图1中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备中内凹槽的为方形的结构图。

图6是图1中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备中内凹槽的棱形的结构图。

图7是图1中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备中内凹槽的圆形的结构图。

图8是图1中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备中内凹槽的扁平形的结构图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型主要解决搅拌磨擦焊在焊接过程中无法添加有益元素的问题，解决问题的思路,采用了u-triz创新理论。u－triz的创新方法的核心是：“以功能为导向，以属性为核心”，即以解决关键问题而准确定义功能，再以属性创新实现功能。在本申请中，现有技术缺陷的关键问题是：在搅拌磨擦焊焊接过程中，无法添加混合入其它有益元素。为解决此关键问题，功能定义为：(v+o，动作+作用对象)混合焊缝两端金属材料件元素和添加介质元素。(v+o+p，动作+作用对象+参数)提高焊缝两端金属材料件元素和添加介质元素的混合均匀度。为了增加金属材料件元素和添加介质元素的混合均匀度，首先采用了材料属性创新，即根据不同的金属材料和应用场景对焊缝的参数要求，将所需添加的有益金属元素和非金属元素按比例预制成混合均匀的固体合金、固体单晶或粉未合金、粉未单晶。再以结构属性创新，将预制好的添加介质可靠的内嵌在两个焊接的金属材料件之间，在磨擦头搅拌针的作用下实现焊缝两端的金属材料元素与添加介质元素的同空间同时间的搅拌混合均匀，并在磨擦头的高速旋转和压力作用下,经过回复与再结晶的过程形成新的焊缝金相属性，以提高焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标。

为了解决现有技术的缺陷，本实施例提供一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备，如图1所示，在本实施例中搅拌摩擦焊焊接工艺设备包括：工作台10、加工件固定装置20、第一金属材料件31、第二金属材料件32、添加介质40以及摩擦焊焊接控制装置50。在本实施例中，所述加工件固定装置20设置在工作台10上，所述第一金属材料件31与第二金属材料件32设置在加工件固定装置20上，所述添加介质40是设置在所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32之间，所述摩擦焊焊接控制装置50设置在工作台10上，由于所述添加介质40是由按比例预制好的对焊缝有益的金属元素和非金属元素组成的金属材料件，因此通过所述擦焊焊接控制装置50可以将所述第一金属材料件31与第二金属材料件32以及添加介质10搅拌粉碎并混合均匀，经过回复与再结晶的过程以形成新的焊缝金相属性，从而改变/提高了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

实施例一

在本实施例中，如图1中所示，本实施例中的搅拌摩擦焊焊接工艺设备是用于对形式为平板型的第一金属材料件31以及第二金属材料件32进行焊接的场景。而由于第一金属材料件31以及第二金属材料件32是并排设置，且第一金属材料件31以及第二金属材料件32之间设置有所述添加介质40，为了使得所述添加介质40能够更加稳定，且在进行搅拌摩擦焊的过程中不会使得第一金属材料件31、第二金属材料件32以及添加介质40彼此之间不会出现错位或者晃动等情况，因此本实施例中的加工固定装置20是用于将所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32与所述的添加介质40夹紧压紧，并使得所述第一金属材料件31与第二金属材料件32并排固定在所述工作台上的第一夹紧装置。优选地，该第一夹紧装置设置在工作台10上，并从两侧和上方将第一金属材料件31与第二金属材料件32夹紧和压紧，从而使得第一金属材料件31与第二金属材料件32固定，并且还可以借助第一金属材料件31与第二金属材料件32的夹紧力来将添加介质40夹紧与固定。优选地，所述第一夹紧装置还可以为第一金属材料件31与第二金属材料件32提供向下的压力，以进一步将第一金属材料件31与第二金属材料件32稳定固定在工作台上。值得说明的是，本实施例中的所述第一夹紧装置可以常用的夹具装置，例如可在工作台的上设置有两个可以活动的夹爪机构，第一金属材料件31与第二金属材料件32设置在两个卡爪机构之间，通过控制两个卡爪机构的靠近与远离来实现第一金属材料件31与第二金属材料件32的夹紧与松开。

进一步地，由于本实施例中的第一金属材料件31与第二金属材料件32为平板型，本实施例中的摩擦焊焊接控制装置50为对平板型的第一金属材料件31和第二金属材料件32以及中间的添加介质40进行焊接的设备。具体地，所述摩擦焊焊接控制装置50为设置在所述工作台10的上方的摩擦焊焊头51和摩擦焊焊头51前端的搅拌针52。当所述摩擦焊焊接控制装置50启动之后，所述摩擦焊焊头51前端的搅拌针52可高速旋转，并将所述第一金属材料件31与第二金属材料件32以及所述添加介质40搅拌粉碎并混合均匀，然后均匀混合后在所述摩擦焊焊头51的旋转和压力下经过回复与再结晶的过程形成所述焊缝金相属性，形成的新焊缝改变/提高了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

进一步地，在本实施例中添加介质40为具有1～n种金属元素和/或非金属元素按比例预制成的合金体、单晶体、合金粉未或单晶粉未。也就是说，所述添加介质40可以为固体形式，也可以为粉末形式。优选地，所述添加介质40位于所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的对焊缝处的内凹槽100内或焊缝之间。也就是说，本实施例中的添加介质40可以有两种设置形式，第一种为在第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的焊缝处设置内凹槽100，添加介质40设置在该内凹槽100内；第二种是将添加介质40直接夹在第一金属材料件31与所述第二金属材料件32之间。

具体地，如图1所示，实施例一中添加介质40优选为固体或粉末形式，并且所述添加介质40位于所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的对焊缝处的内凹槽100。所述内凹槽100包括设置在所述第一金属材料件31上的第一内凹槽101(如图4所示)以及设置在所述第二金属材料件32上，且与所述第一内凹槽101匹配的第二内凹槽102(如图4所示)。也就是说，本实施例中内凹槽100是由两部分拼接形成的，两部分分别位于所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32上，当所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32被固定且夹紧后，所述第一内凹槽101匹配的第二内凹槽102拼接形成所述内凹槽100。

优选地，本实施例中的所述第一内凹槽101与所述第二内凹槽102的形状与尺寸均相同，这样才能保证所述第一内凹槽101与第二内凹槽102在拼接时才能完全匹配，避免所述内凹槽100中的添加介质40外露，影响焊接质量。较佳地，实施例中的内凹槽100设置为三角形(如图4所示)、方形(如图5所示)、棱形(如图6所示)、圆形(如图7所示)以及扁平形(如图8所示)中的任意一种。当然，本实施例中的所述内凹槽100还可以仅设置在所述第一金属材料件31或者所述第二金属材料件32。

实施例二

如图2所示，当本实施例中的添加介质40位于所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的焊缝之间时，所述添加介质40为固体形式，具体可为合金体扁平板或1～n个同厚度或不同厚度的不同元素的单晶体片。为了使得添加介质40能够更好地被固定，本实施例中的所述工作台10上设置有用于对所述添加介质40夹紧与固定的第二夹紧装置60，并且所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32位于所述第二夹紧装置60上，通过所述第二夹紧装置60的夹紧来使得所述添加介质40固定，所述添加介质40固定在所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的焊缝之间，且与所述第二金属材料件31与所述第二金属材料件32紧密贴合。优选地，本实施例中的第二夹紧装置60可为自动形式、半自动形式以及固定形式。例如，可以将设置一个固定尺寸的凹槽(固定形式)，通过该凹槽来固定所述添加介质40；或者通过全自动或者半自动来控制所述凹槽的尺寸变化，从而更好地夹紧添加介质40。

优选地，本实施例中，当所述添加介质40固定在所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的焊缝之间时，所述添加介质40的高度不高于所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32的厚度，这样为了使得当所述摩擦焊焊接控制装置50启动之后，所述摩擦焊焊头51和摩擦焊焊头51前端的搅拌针52可高速旋转，更好地将所述第一金属材料件31与第二金属材料件32以及所述添加介质40搅拌粉碎并混合均匀，以免出现碎屑飞溅的现象，然后均匀混合后在所述摩擦焊焊头51的旋转和压力下经过回复与再结晶的过程形成所述焊缝金相属性，形成的新焊缝改变/提高了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

实施例三

如图3所示，在本实施例中，所述加工件固定装置20为对立设置的两个旋转装置21或为一个旋转装置21和一个固定装置，所述两个旋转装置21或一个旋转装置21和一个固定装置分别用于固定所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32。也就是说，本实施例中通过旋转装置来带动所述第一金属材料件31和/或所述第二金属材料件32转动(即其中一个转动，或者两个都转动)。优选地，本实施例中的所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32中两个同为圆柱体或其中任意一个为圆柱体。在本实施例中，所述第一金属材料件31和/或所述第二金属材料件32的顶端的内凹槽(图3中未标出)内。

进一步地，所述摩擦焊焊接控制装置50为与所述旋转装置51(如图3优选为两个旋转装置21)连接的旋转驱动装置51，所述旋转驱动装置51控制所述的两个或一个旋转装置21旋转，以使所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32彼此接触并在旋转摩擦的过程中产生高温，并将所述第一金属材料件31与第二金属材料件32元以及所述内凹槽内的添加介质40熔化混合均匀，并在高速旋转和压力下经过回复与再结晶的过程形成所述焊缝金相属性。也就是说，在转动的过程中，所述第一金属材料件31和所述第二金属材料件32接触，通过高速的摩擦，挤压来将所述第一金属材料件31元素与第二金属材料件元素32以及添加介质40元素搅拌混合均匀，经过回复与再结晶的过程以形成新的焊缝金相属性，从而改变/提高了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

优选地，本实施例中的所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32中两个同为圆柱体或其中任意一个为圆柱体。所述添加介质40可为粉末状设置在内凹槽内，或者也可以固体状设置在内凹槽内。本实施例中的内凹槽的形状为扁平圆形、三角形、方形、棱形、以及扁平圆形中的任意一种，与上述实施例一样。当然本实施例中的内凹槽也可以为分别设置在所述第一金属材料件31与所述第二金属材料件32端面上的第一内凹槽与第二内凹槽来拼接形成，也可以仅仅只设置在所述第一金属材料件31或者所述第二金属材料件32的端面上。

综上所述，本实用新型提供的一种搅拌摩擦焊焊接工艺设备，包括：工作台；设置在工作台上的加工件固定装置；设置在加工件固定装置的第一金属材料件与第二金属材料件；设置在第一金属材料件与第二金属材料件之间的添加介质；设置在所述工作台上的摩擦焊焊接控制装置，所述摩擦焊焊接控制装置用于将第一金属材料件与第二金属材料件以及添加介质搅拌粉碎并混合均匀，以形成新的焊缝金相属性。本实用新型混合了添加介质改变了原第一金属材料件元素与第二金属材料件元素直接进行搅拌磨擦焊焊缝的金相属性，提高/改变了焊缝拉伸强度、屈服强度，延伸性等指标参数的功能。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。