一种水下磁场耦合磁致伸缩回填式摩擦点焊方法及装置

本发明涉及搅拌摩擦焊接，具体涉及一种水下磁场耦合磁致伸缩回填式摩擦点焊方法及装置

背景技术：

1、回填式搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊接的基础上由gkss gmbh发展的一种新型点焊方法，其可以克服常规搅拌摩擦点焊结束存在匙孔的问题。由于rfssw同样是一种固相连接技术可以避免熔化焊接的缺陷以及减少结构件的重量，因此被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域。目前，rfssw已具备替代传统电阻点焊、裂纹和缺损修复的潜力。

2、焊接过程分为四个阶段：摩擦加热阶段、下扎阶段、回抽阶段和成形阶段。在摩擦加热阶段，压紧环将焊材压紧固定，搅拌针和套筒以角速度ω持续在母材表面旋转摩擦产热软化母；在下扎阶段，设定时间内套筒下扎pd深度，同时搅拌针上升kpd高度形成空腔，在压紧环约束下大多数的金属被挤入空腔中形成储存腔；在回抽阶段，在设定时间内套筒和搅拌针分别反向运动rd和krd的距离，将存储腔内物料挤出；在成形阶段，搅拌针和套筒在上部板材表面旋转停留，打磨焊点表面，改善外观，之后工具撤出。目前回填式搅拌摩擦点焊接头的极限剪切强度主要受限于hook缺陷以及热影响区组织粗大等问题。由于下板铝合金温度较低材料较硬，表面的氧化物破碎挤压在上板，从而形成了钩状较弱的冶金结合，是接头裂纹扩展源。以及受到焊接热循环的影响，使得接头内部形成了一个硬度值低于母材的区域，即热影响区，尤其对于铝合金材料，其最最高强度约为铝合金母材的80％左右，显著降低了接头的力学性能。目前，专利cn113857649a在垫板底部放置周向励磁线圈，在磁场控制器的控制下，数个高频产磁线圈轮流通直流电，通电顺序与搅拌头旋转方向一致且轮流通电速度与搅拌头转速相同，在高频产磁线圈通电之后产生穿过焊料的磁场，断电后磁场消失。在焊料内部产生涡流，改善了底板的温度分布，在焊料内部产生安培力，强化了搅拌头的搅拌作用，改善焊缝金属流动性。但是该方案励磁线圈在底板内部，底板热量的积累会提升线圈的电阻率，增强产焦耳热量，铁板易达到居里点，降低磁传导率，长久下去导线还容易烧断。旋转磁场激励的电磁力对焊料仅有旋转作用力，实际搅拌摩擦焊接的旋转搅拌力充分，但对焊料纵向作用力较少，因此并不能改善hook的形貌。此外，绕组底部的磁场并没有引导形成闭合回路导致磁损较大。专利cn101934426b采用水下搅拌摩擦焊接方法，通过利用水介质强烈的吸热作用，缓解热影响区组织粗大的问题，可以有效提高接头的抗拉强度。但并不能够改善纵向物料流动，甚至进一步降低了板材的温度梯度差，导致hook高度增加。

3、可见，目前外场复合回填式搅拌摩擦焊接方法中存在以下问题：(1)辅助磁场为旋转磁场产生旋转电磁力并不能够增强物料的纵向流动；(2)绕组位于底板内部，长期热积累导致电阻率上升，铁心易达到居里温度，导线熔化，影响电磁感应效率；(3)绕组一端靠近焊点，另一端处于开放状态，磁场能量损失严重；(4)不能解决热影响区的组织粗大软化的问题。因此提出一种水下磁场耦合磁致伸缩回填式摩擦点焊方法及装置。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种水下磁场耦合磁致伸缩回填式摩擦点焊方法及装置，缓解热影响区组织粗大，改善hook、连接带等组织缺陷，提高接头形性。

2、为解决上述技术问题，本发明提出了一种水下磁场耦合磁致伸缩回填式摩擦点焊装置，包括搅拌针、压紧环、焊材、压紧环夹头、顶端夹具、顶杆、垫帽、电磁换能器、导磁环、固定连杆和水箱；所述顶端夹具固定有压紧环夹头，配合内部的顶杆，在电主轴底端固定焊材。固定连杆依次套有电磁换能器和垫帽，三者同心配合，位于焊点中心底部，磁场能量通过电磁换能器转化为电能以及机械能至焊点。所述搅拌针正对焊材表面；焊材淹没于水箱的水池中，根据温度变化情况调节水箱内的水池水流。

3、作为优选，搅拌针、套筒和压紧环固定在可回抽电主轴底端，三者同心配合，套筒和搅拌针可旋转-轴向运动，水箱的水池略微倾没压紧环底部。

4、作为优选，所述垫帽选取耐高温、耐磨损、高硬度、低磁导率的材料，如：奥氏体不锈钢、钛合金以及铜合金，并在表面放置隔热耐磨涂层，如气凝胶等。垫帽顶端外径大于套筒外径，小于压紧环外径，底端外径与线圈内径一致，底端盲孔内径与电磁换能器内置的铁心以及固定连杆顶部外径一致。

5、作为优选，所述电磁换能器包含上线圈、铁心、下线圈和磁致伸缩环，上线圈和下线圈绕组均同向缠绕。磁致伸缩环选用超磁致伸缩材料，磁致伸缩环外径与垫帽底端外径一致，上和下两个线圈针对不同焊接阶段单独通电或同步通电，通交变电流，如：正/余弦电流、锯齿波电流等。所述线圈外部涂有防水喷漆，并在外部包裹耐腐蚀材料，也可在无水池情况下使用通水铜管。

6、作为优选，所述电磁换能器、垫帽、导磁环整体安装在固定连杆上端，电磁换能器底端面接触到固定连杆台阶面，垫帽固定在固定连杆凸台上，固定连杆凸台外部包裹电磁换能器，磁导环包裹整个电磁换能器整体，根据需要焊接板材的特性调节磁导环外径大小，牵引焊点区域连接界面的磁导线水平分布，形成垂直电势。上线圈包裹垫帽，垫帽内置铁心，下线圈包裹磁致伸缩环，固定连杆凸台穿过磁致伸缩环和垫帽底部盲孔，固定连杆顶端紧贴垫帽底端面。磁致伸缩环中心孔和垫帽底端盲孔与固定连杆顶端滑动配合，磁导环和电磁换能器底端面紧贴固定连杆台阶端面。

7、作为优选，电磁换能器除了应用在搅拌摩擦焊接过程中，还可以应用在搅拌增材过程中，随着增材构件的高度变化，通过调节电流频率自动调整可变共振条件，保证激励的峰值强度随增材的高度变化保持不变。

8、作为优选，压紧环和垫棒固定焊材上下端面，焊材两侧端面被顶端夹具侧台阶和顶杆固定；所述顶端夹具通过侧壁螺纹孔固定在压紧环夹具上，中心通孔与压紧环夹头同心，并切割有防转凹槽穿过压紧环的固定螺帽避免夹具旋转，其侧台阶紧贴焊焊材一端；所述顶杆穿过顶端夹具的侧通孔，顶杆与测通孔是滑动配合，并匹配弹簧固定焊材，或者是螺纹配合固定焊材，两个顶杆作用在两个焊材重合区域上，3/4左右的宽度。

9、作为优选，水池安装进水流开关和出水流开关，装有位于套筒底端水平面的限位传感器和测温传感器。

10、本发明还提供一种焊接过程调节电磁耦合磁致伸缩方法，其采用如上的焊具，包括如下步骤：

11、将焊材固定在顶端夹具，在焊接过程中保证焊材不发生旋转；

12、套筒下扎至垫板表面，开始预热阶段，此时接通上线圈，仅激励焦耳热；

13、下扎以及回抽阶段同时接通上线圈和下线圈，激励焦耳热效应、电磁力以及超声振动；

14、在成形阶段，接通下线圈，仅激励超声震动。

15、本发明还提供一种基于温度控制水池流动的方法，其采用如上的焊具，包括如下步骤：

16、将焊材固定在顶端夹具上，在实际焊接过程中保证不发生旋转，引进的水始终为常温状态；

17、在焊材水平面的限位传感器，确保水池的水面始终高于焊材，当水面低于行程传感器时，只有进水开关接通，其他情况进水开关和出水开关状态一致，水流开关分为8档；

18、设定焊接过程水池保温度数，假设为x°，测量水池温度为y°，当x°≥y°时，上线圈通电，水流开关关闭，当x°<y°时，此时开始预热阶段，水流开关打开；

19、在下扎以及回抽过程中，水流开关依据温度变化调整档数，档数＝(y-x)/10取整，小于零时水流开关关闭；

20、焊接结束，关闭水流开关。

21、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：

22、(1)针对焊接热输入较为集中，首次在底部添加线圈，改善焊材温度分布；

23、(2)线圈分段，下线圈内部结构添加磁致伸缩环，减少电磁辅助底部能量损耗，提高能量使用效率；

24、(3)对比压电陶瓷需要高电压激发响应，电路容易击穿，危险性高且无法实时改变震动幅度。而超磁致伸缩材料在低电压下就可以驱动响应并且可以长时间、高响应速度连续工作，可以通过交变电流频率自动调整到可变震动条件；

25、(4)针对物料纵向流动不充分的问题，添加纵向电磁搅拌力以及超声震动，增强物料纵向混合程度；

26、(5)针对焊接过程温度升高电磁感应效果不佳以及热影响区组织粗大的问题，通过水下焊接降低温度减少热影响区组织，保证电磁感应有效实施；

27、(6)常规垫板较厚辅助磁场距离焊核较远，磁场衰减严重，垫帽增加了磁场容纳空间并能够引导磁场直接位于焊点下部，增加电磁感应效果；

28、(7)磁场耦合磁致伸缩材料激励能场，该结构精巧、简单，且温度控制易于实现。