一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法及焊接装置

本发明涉及搅拌摩擦焊接，尤其涉及一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法及焊接装置。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、搅拌摩擦焊接(friction stir welding,fsw)是于1991年由英国焊接研究所发明的一种固相焊接方法。其主要优点是：焊接热输入小、焊接质量高、焊接变形小、焊接过程绿色环保等，特别适合铝合金等轻质有色金属的焊接，在航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域有着较大的应用潜力。

3、此后，研究者相继提出了静止轴肩搅拌摩擦焊接、双轴肩搅拌摩擦焊接、热/冷源辅助搅拌摩擦焊接、超声能场辅助搅拌摩擦焊接等改进的搅拌摩擦焊接方法。但是，上述焊接方法焊接完成搅拌头离开被焊工件后会在被焊工件上留下一个退出孔(通常称为匙孔)，不仅影响了焊缝的美观度和平整度，而且弱化了焊缝的整体性能。

4、现有技术中公开了一种回填式点焊方法，虽然可以得到无匙孔的点焊接头，但其是针对搭接接头的点焊，在长直焊缝的线焊过程中，依然面临被焊工件的底部未焊透/未焊合/弱连接等问题，且搅拌针/棒插入深度大，其承受较大的前进阻力，焊接速度不宜过快，焊接效率低，搅拌头寿命短。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，在横向移动的同时，上/下搅拌针的空腔内不断有旧材料进入和新材料排出，极大地改善了材料沿水平和垂直方向上的塑性流动，解决了长直焊缝的线焊过程未焊透/未焊合/弱连接等问题，减小了搅拌针横向移动过程中的前进阻力。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

3、一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，包括：

4、上搅拌工具和下搅拌工具分别移动至被焊工件起焊点的上、下两侧，以预定压力压在被焊工件两侧并旋转，其中，上搅拌工具包括上搅拌套和上搅拌针，下搅拌工具包括下搅拌套和下搅拌针；

5、上搅拌针和下搅拌针分别以相同的速度同时上移、下移往复运动，直至起焊点的温度场和塑性流场达到准稳态，其中，移动的最大距离为被焊工件材料总厚度的一半；

6、上搅拌针和下搅拌针在上移、下移的同时以相同的速度沿着水平方向平移，上搅拌套和下搅拌套保持竖直方向上的位置不变并跟随平移，直至到达终焊点。

7、可选的，在焊接之间对被焊接工件进行预处理，包括：将被焊工件的接合面打磨平整，清理氧化膜，用无水乙醇清洗、烘干。

8、可选的，上搅拌工具与下搅拌工具接触被焊接工件前，上搅拌针和上搅拌套的端部平齐，下搅拌针和下搅拌套的端部平齐。

9、可选的，所述上搅拌针和下搅拌针上移、下移往复运动的过程中，上搅拌针和下搅拌针沿垂直方向的运动速度相同，上搅拌针下端和下搅拌针上端之间的距离保持不变。

10、可选的，所述上搅拌针和下搅拌针上移时，下搅拌针将被焊工件的塑性材料挤压进所述上搅拌套内；所述上搅拌针和下搅拌针下移时，上搅拌针将被焊工件的塑性材料挤压进所述下搅拌套内。

11、可选的，所述上搅拌套、上搅拌针、下搅拌套和下搅拌针在焊接阶段的平移速度相同；所述上搅拌套、上搅拌针、下搅拌套和下搅拌针的旋转速度相同或不相同。

12、可选的，到达终焊点后，上搅拌针移动至与上搅拌套的端部平齐位置，下搅拌针移动至与下搅拌套的端部平齐位置；上搅拌工具和下搅拌工具停止旋转，并分别向上和向下运动，完成焊接。

13、本发明实施例还提供了一种用于如上所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法的焊接装置，包括上搅拌工具和下搅拌工具，所述上搅拌工具和下搅拌工具分别位于被焊工件的两侧；所述上搅拌工具包括上搅拌套和上搅拌针，所述上搅拌套具有通孔，所述上搅拌针设置在所述上搅拌套的通孔内并能沿所述上搅拌套的轴线移动；所述下搅拌工具包括下搅拌套和下搅拌针，所述下搅拌套具有通孔，所述下搅拌针设置在所述下搅拌套的通孔内并能沿所述下搅拌套的轴线移动。

14、可选的，所述上搅拌套和所述下搅拌套的外径尺寸相等，且在焊接过程中二者保持上下对齐，所述上搅拌针和所述下搅拌针的直径尺寸相等。

15、可选的，所述上搅拌套和下搅拌套朝向待焊工件的端部为光滑平面或粗糙面；所述上搅拌针和下搅拌针朝向待焊工件的端部为光滑平面或粗糙面，圆周侧面为光滑面或粗糙面。

16、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

17、1、本发明的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，可实现对接、搭接或其他可能的接头形式厚板长直线焊焊缝的高质量连接，上/下搅拌工具在横向移动的同时，上/下搅拌针的空腔内不断有旧材料进入和新材料排出，上/下搅拌针往复地插入到工件中，循环扰动对/搭接界面，极大地改善了材料沿水平和垂直方向上的塑性流动，解决了长直焊缝的线焊过程未焊透/未焊合/弱连接等问题，减小了搅拌针横向移动过程中的前进阻力，因此可以提高焊接速度，进而提高焊接效率，而且延长了搅拌头的使用寿命。

18、2、搅拌工具的尺寸具有较大的灵活性，由于上/下搅拌针可以独立于上/下搅拌套运动，其插入被焊工件的深度可任意调整，因此，当被焊工件的厚度变化时，仅需改变上/下搅拌针的插入深度，无需更换新的搅拌工具。

19、3、上/下搅拌针的最大插入深度仅为被焊工件材料总厚度的一半即可完成高质量的焊接，大幅减小了搅拌工具的受力，提高了焊接效率。

20、4、焊接过程中几乎没有材料的损失，焊接完成后无匙孔，焊缝表面平整，焊缝的整体性能好。

21、本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

22、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，在焊接之间对被焊接工件进行预处理，包括：将被焊工件的接合面打磨平整，清理氧化膜，用无水乙醇清洗、烘干。

3.如权利要求1所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，上搅拌工具与下搅拌工具接触被焊接工件前，上搅拌针和上搅拌套的端部平齐，下搅拌针和下搅拌套的端部平齐。

4.如权利要求1所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，所述上搅拌针和下搅拌针上移、下移往复运动的过程中，上搅拌针和下搅拌针沿垂直方向的运动速度相同，上搅拌针下端和下搅拌针上端之间的距离保持不变。

5.如权利要求4所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，所述上搅拌针和下搅拌针上移时，下搅拌针将被焊工件的塑性材料挤压进所述上搅拌套内；所述上搅拌针和下搅拌针下移时，上搅拌针将被焊工件的塑性材料挤压进所述下搅拌套内。

6.如权利要求1所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，所述上搅拌套、上搅拌针、下搅拌套和下搅拌针在焊接阶段的平移速度相同；所述上搅拌套、上搅拌针、下搅拌套和下搅拌针的旋转速度相同或不相同。

7.如权利要求1所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法，其特征在于，到达终焊点后，上搅拌针移动至与上搅拌套的端部平齐位置，下搅拌针移动至与下搅拌套的端部平齐位置；上搅拌工具和下搅拌工具停止旋转，并分别向上和向下运动，完成焊接。

8.一种用于如权利要求1-7任一项所述的长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法的焊接装置，其特征在于，包括上搅拌工具和下搅拌工具，所述上搅拌工具和下搅拌工具分别位于被焊工件的两侧；

9.如权利要求8所述的焊接装置，其特征在于，所述上搅拌套和所述下搅拌套的外径尺寸相等，且在焊接过程中二者保持上下对齐，所述上搅拌针和所述下搅拌针的直径尺寸相等。

10.如权利要求8所述的焊接装置，其特征在于，所述上搅拌套和下搅拌套朝向待焊工件的端部为光滑平面或粗糙面；所述上搅拌针和下搅拌针朝向待焊工件的端部为光滑平面或粗糙面，圆周侧面为光滑面或粗糙面。

技术总结
本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种长直焊缝往复填充式搅拌摩擦线焊方法及焊接装置。线焊方法包括：上搅拌工具和下搅拌工具分别移动至被焊工件起焊点的上、下两侧，以预定压力压在被焊工件两侧并旋转；上搅拌针和下搅拌针分别以相同的速度同时上移、下移往复运动，直至起焊点的温度场和塑性流场达到准稳态，其中，移动的最大距离为被焊工件材料总厚度的一半；上搅拌针和下搅拌针在上移、下移的同时以相同的速度沿着水平方向平移，上搅拌套和下搅拌套保持竖直方向上的位置不变并跟随平移，直至到达终焊点。通过本发明解决了长直焊缝的线焊过程未焊透/未焊合/弱连接等问题，减小了搅拌针横向移动过程中的前进阻力。

技术研发人员：宿浩,陈姬,武传松
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21