CN110860781B - 一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法 - Google Patents

一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，所属焊接技术领域，焊接步骤：(1)准备待焊工件；(2)搅拌头安装定位；(3)焊接；(4)后处理。本发明采用辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头配合焊接，使高硬度金属材料与低硬度金属材料在厚度方向上可以同时达到塑性状态，从而使得焊接时的塑性金属流动、搅拌针更加充分，得到强度更高的焊接接头，且操作简单、可行度高，可适用于全位置焊接。

Description

一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种新型的固相焊接方法，在焊接过程中，焊接温度低于母材熔点，能够解决熔焊过程中出现的残余应力大、易产生气孔、变形程度大等问题，因此，搅拌摩擦焊已广泛应用于铝合金、铜合金、镁合金的焊接过程。随着工业的发展，搅拌摩擦焊的应用领域不断扩大，其在铝-铜、铝-镁、铝-钛等异种金属的连接中具有很大的应用前景。但是搅拌摩擦焊在低硬度金属材料与高硬度金属材料的焊接过程中，高硬度材料和低硬度金属材料存在不能够同时达到塑化状态，使得焊接接头性能降低的问题。目前，现有技术是采用对高硬度金属材料进行预热方式，以解决上述问题。
专利CN103008897A公开了一种激光和搅拌摩擦焊结合的一种焊接技术。提出了在焊接板背面设置预热激光束；在正面沿焊接的方向依次布置搅拌头、后热激光束。这种方法可实现快速高质量焊接，解决了硬材质焊接板的搅拌摩擦焊高效连接的难题，但该方法难以运用在复杂、封闭的情况中；同时激光预热范围窄，不能有效进行预热。专利CN108907448A公开了一种对厚板铝铜异种金属背面进行移动式加热的搅拌摩擦焊工艺。提出利用以电磁加热炉为主的辅热装置，通过导轨将其与搅拌针同时移动，对铜板进行辅助加热。该设计减小了搅拌过程中的摩擦热与两种金属达到塑性状态的时间差距，但其实验装置复杂。专利CN104551379A公开了一种利用电弧、MIG等作为辅助热源，对被焊工件进行预热。提出焊接高熔点材料时采用电弧或等离子束作为辅助热源，当焊接异种材料时采用MIG或MAG作为辅助热源，这种添加辅助热源的方法增加了搅拌头的寿命，但是在焊接铝合金与高熔点时，铝合金金属侧更易达到塑性状态，因而更容易产生粘连的缺陷。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，使高硬度金属材料与低硬度金属材料在厚度方向上可以同时达到塑性状态，从而提高焊缝性能，具有加热区域宽、节省成本的优势，并且可以提高接头质量和焊接焊缝用搅拌头的使用寿命。其具体的技术方案，包含如下步骤：
步骤1，准备待焊工件：
将高硬度金属板和低硬度金属板表面进行清理，采用对接的方法放置在工作台上，并用专制工装夹具装卡定位，形成待焊工件及待焊焊缝；
步骤2，搅拌头安装定位：
将辅助热源搅拌头安装在辅助热源旋转主轴上并固定，将焊接焊缝搅拌头安装在焊接焊缝旋转主轴上并固定，然后调整辅助热源旋转主轴和接焊缝旋转主轴的位置，使辅助热源搅拌头位于高硬度金属板上，焊接焊缝搅拌头位于待焊工件的焊缝上，最后分别调整辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头至焊接起始点；
步骤3，焊接：
启动辅助热源搅拌头，并沿平行于焊缝直线朝焊接焊缝搅拌头前进方向行进，当辅助热源搅拌头行进至离起始点距离为25～50mm时，启动焊接焊缝搅拌头，对焊缝进行焊接，当辅助热源搅拌头行进至超出低硬度金属板的边缘20～40mm时，将辅助热源搅拌头向上拔起离开工件，随后当焊接焊缝搅拌头完成焊缝焊接后，再将接焊缝搅拌头向上拔起离开工件；
步骤4，后处理：
将辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头分别从旋转主轴上卸下，将焊后的工件从工作台上卸下，并对高硬度金属板超出低硬度金属板的部分进行切除；
上述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其中：
所述步骤1中，高硬度金属板和低硬度金属板材质为铝、铜、钛等莫氏硬度范围为2.5-6.5的金属及其合金，厚度范围为2-10mm；所述的高硬度金属板沿待焊焊缝方向比低硬度金属板较长；
所述步骤1中，待焊焊缝为直线或曲线；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头材质为W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，或镍基合金、WC-Co合金、多晶立方氮化硼等材质，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头材质可以选用同种材质或不同材质，当材质不相同时，辅助热源搅拌头材质硬度应高于焊接焊缝搅拌头材质硬度；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头的轴肩直径为10-35mm，轴肩的形状为凹面、渐近线凹槽、平面、同心圆环槽、涡状线、辐条形或螺旋线形；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头上设有搅拌针，搅拌针端部直径为3-6mm，根部直径为4-10mm，搅拌针针长为1.5-10mm，搅拌针为左螺旋或右螺旋形状；
所述步骤3中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头在行进过程中相对于工作台，沿焊接方向(X坐标方向)距离为20-45mm，垂直于焊接方向(Y坐标方向)距离为20-40mm；
所述步骤3中，辅助热源搅拌头的工作参数为：倾角为0-3°，转速为500-2500r/min，行进速度为10-1000mm/min，轴肩压入量为0.05-0.3mm；
所述步骤3中，焊接焊缝搅拌头的工作参数为：倾角为0-3°，转速为500-2500r/min，行进速度为10-1000mm/min，轴肩压入量为0.05-0.3mm。
本发明的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，与现有技术相比，有益效果为：
一、辅助热源搅拌头在高硬度金属板上进行高速旋转，起到对高硬度金属板的辅助加热作用，加快焊缝处高硬度金属板达到塑性状态的速度；
二、焊接焊缝搅拌头在待焊工件的焊缝上进行高速旋转，促进焊缝处的高硬度金属板进一步达到塑性状态，并促进高硬度金属与低硬度金属材料同时是达到塑性状态；
三、辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头配合使用，使得两金属板接触面能够同步达到塑性状态，从而使得焊接时的塑性金属流动、搅拌针更加充分，得到强度更高的焊接接头；
四、本发明的辅助加热方法操作简单、可行度高，且可适用于全位置焊接。
附图说明
图1为辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头安装定位示意图：1-高硬度金属板，2-低硬度金属板，3-辅助热源搅拌头，4-焊接焊缝搅拌头，5-辅助热源旋转主轴，6-焊接焊缝旋转主轴；
图2—图4为本发明的焊接过程搅拌头行进路线图，其中，1-高硬度金属板，2-低硬度金属板，5-辅助热源搅拌头的行进轨迹，6-焊接焊缝搅拌头的的行进轨迹。
具体实施方式
下面结合本发明附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，包含如下步骤：
步骤1，准备待焊工件：
将高硬度金属板1和低硬度金属板2表面进行清理，采用对接的方法放置在工作台上，并用专制工装夹具装卡定位，形成待焊工件及待焊焊缝；
步骤2，搅拌头安装定位：
将辅助热源搅拌头3安装在辅助热源旋转主轴5上并固定，将焊接焊缝搅拌头4安装在焊接焊缝旋转主轴6上并固定，然后调整辅助热源旋转主轴5和接焊缝旋转主轴6的位置，使辅助热源搅拌头3位于高硬度金属板1上，焊接焊缝搅拌头4位于待焊工件的焊缝上，最后分别调整辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4至焊接起始点；
步骤3，焊接：
启动辅助热源搅拌头3，并沿平行于焊缝直线朝焊接焊缝搅拌头前进方向行进，如图2所示；当辅助热源搅拌头3行进至离焊接起始点距离为25mm时，启动焊接焊缝搅拌头4，对焊缝进行焊接，如图3所示；当辅助热源搅拌头3行进至超出低硬度金属板的边缘25mm时，将辅助热源搅拌头3向上拔起离开工件，随后当焊接焊缝搅拌头4完成焊缝焊接后，再将接焊缝搅拌头4向上拔起离开工件，如图4所示；
步骤4，后处理：将辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4分别从旋转主轴上卸下，将焊后的工件从工作台上卸下，并对高硬度金属板1超出低硬度金属板2的部分进行切除；
上述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其中：
所述步骤1中，高硬度金属板1为铜，厚度为3.5mm；低硬度金属板2为铝，厚度为3.5mm；所述步骤1中，高硬度金属板1沿待焊焊缝方向比低硬度金属板2长30mm；
所述步骤1中，待焊焊缝为直线；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4材质材质为WC-Co合金；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4的轴肩直径为12mm，轴肩形状为凹面形；
所述步骤2中，辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4上设有搅拌针，搅拌针端部直径为3.5mm，根部直径为5.1mm，搅拌针针长为3mm，搅拌针形状为右螺旋形状；
所述步骤3中，辅助热源搅拌头3和焊接焊缝搅拌头4在行进过程中相对于工作台，沿焊接方向距离(X坐标方向)为25mm，垂直于焊接方向(Y坐标方向)距离为25mm；
所述步骤3中，辅助热源搅拌头3的工作参数为：倾角为2.5°，搅拌头的转速为1000r/min，焊接速度为50mm/min，焊接时的轴肩压入量为0.15mm；
所述步骤3中，焊接焊缝搅拌头4的工作参数为：倾角为2.5°，转速为1000r/min，行进速度为50mm/min，轴肩压入量为0.15mm。
未经辅助热源焊接的焊接接头抗拉强度约为124MPa，本实施例的搅拌摩擦焊辅助热源焊接接头的抗拉强度可达约178MPa。

Claims (6)

1.一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，包含如下步骤：
步骤1，准备待焊工件：
将高硬度金属板和低硬度金属板表面进行清理，采用对接的方法放置在工作台上，并用专制工装夹具装卡定位，形成待焊工件及待焊焊缝；
所述高硬度金属板和低硬度金属板材质为铝、铜、钛莫氏硬度范围为2.5-6.5的金属及其合金，厚度范围为2-10mm；所述的高硬度金属板沿待焊焊缝方向比低硬度金属板较长；
步骤2，搅拌头安装定位：
将辅助热源搅拌头安装在辅助热源旋转主轴上并固定，将焊接焊缝搅拌头安装在焊接焊缝旋转主轴上并固定，然后调整辅助热源旋转主轴和焊接焊缝旋转主轴的位置，使辅助热源搅拌头位于高硬度金属板上，焊接焊缝搅拌头位于待焊工件的焊缝上，最后分别调整辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头至焊接起始点；
步骤3，焊接：
启动辅助热源搅拌头，并沿平行于焊缝直线朝焊接焊缝搅拌头前进方向行进，当辅助热源搅拌头行进至离起始点距离为25~50mm时，启动焊接焊缝搅拌头，对焊缝进行焊接，当辅助热源搅拌头行进至超出低硬度金属板的边缘20~40mm时，将辅助热源搅拌头向上拔起离开工件，随后当焊接焊缝搅拌头完成焊缝焊接后，再将焊接焊缝搅拌头向上拔起离开工件；
所述辅助热源搅拌头的工作参数为：倾角为0-3°，转速为500-2500r/min，行进速度为10-1000mm/min，轴肩压入量为0.05-0.3mm；
所述焊接焊缝搅拌头的工作参数为：倾角为0-3°，转速为500-2500r/min，行进速度为10-1000mm/min，轴肩压入量为0.05-0.3mm；
步骤4，后处理：
将辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头分别从旋转主轴上卸下，将焊后的工件从工作台上卸下，并对高硬度金属板超出低硬度金属板的部分进行切除。
2.根据权利要求1所述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其特征在于，所述步骤1中，待焊焊缝为直线或曲线。
3.根据权利要求1所述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其特征在于，所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头材质为W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，或镍基合金、WC-Co合金、多晶立方氮化硼，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头材质选用同种材质或不同材质，当材质不相同时，辅助热源搅拌头材质硬度应高于焊接焊缝搅拌头材质硬度。
4.根据权利要求1所述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其特征在于，所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头的轴肩直径为10-35mm，轴肩的形状为凹面、渐近线凹槽、平面、同心圆环槽、涡状线、辐条形或螺旋线形。
5.根据权利要求1所述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其特征在于，所述步骤2中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头上设有搅拌针，搅拌针端部直径为3-6mm，根部直径为4-10mm，搅拌针针长为1.5-10mm，搅拌针为左螺旋或右螺旋形状。
6.根据权利要求1所述的一种双主轴搅拌摩擦焊辅助热源焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，辅助热源搅拌头和焊接焊缝搅拌头在行进过程中相对于工作台，沿焊接方向距离为20-45mm，垂直于焊接方向距离为20-40mm。
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