CN116000439A - 一种搅拌摩擦焊接方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及以一种搅拌摩擦焊接方法及设备，所述方法包括以下步骤：将待焊接的两个工件并排固定于夹具上以形成焊缝；将第一压轮、第二压轮分别于焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件两侧；将第一搅拌头和第二搅拌头分别停在两个所述工件两侧的起焊位置；第一搅拌头和第二搅拌头旋转并扎入两个所述工件的焊缝直至恒压力达到预设数值时停止扎入；第一压轮、第二压轮、第一搅拌头和第二搅拌头以设定的速度沿着接缝前进，两个所述工件发生摩擦塑性变形并焊接连接。上述方法可有效降低零件内应力，减小零件变形，提高焊缝的力学性能。

Description

一种搅拌摩擦焊接方法及设备

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及以一种搅拌摩擦焊接方法及设备。

背景技术

搅拌摩擦焊是利用摩擦热与热塑性变形热作为焊接热源，利用搅拌头的搅拌针***工件的焊缝处，再通过搅拌头高速旋转与焊接工件材料摩擦从而使连接部位的材料温度升高软化，从而完成焊接。搅拌摩擦焊具有能一次完成较长焊缝，同时操作过程方便实现机械化自动化、设备简单无需添加焊丝焊接过程安全无污染等优点。

针对需要双面搅拌摩擦焊接的工件，现有设备和技术需要先焊接一面，然后把工件拆卸下来，翻转过来，焊接另一面，导致设备等待时间长，生产效率低，而且零件变形大，焊接质量低。双面搅拌摩擦焊方法可以实现上下两个机头同时焊接，实现工件的连续和高效焊接。上下机头的同时焊接，还有效控制了零件在焊接过程的变形，提高焊接质量。但是由于在焊接过程，由于工件和夹具的限制，待焊焊缝位置不能很好的预压紧，从而会降低焊缝质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接方法及设备，以解决现有技术中双面焊接方法容易使的工件发生变形进而导致焊接质量不高的问题。

本发明第一方面提供了一种搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

将待焊接的两个工件并排固定于夹具上以形成焊缝；

将第一压轮、第二压轮分别于焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件两侧；将第一搅拌头和第二搅拌头分别停在两个所述工件两侧的起焊位置；

第一搅拌头和第二搅拌头旋转并扎入两个所述工件的焊缝直至恒压力达到预设数值时停止扎入；

第一压轮、第二压轮、第一搅拌头和第二搅拌头以设定的速度沿着接缝前进，两个所述工件发生摩擦塑性变形并焊接连接。

本发明提供的搅拌摩擦焊接方法还可具有如下附加技术特征：

本发明的一个具体实施方式中，还包括于第一搅拌头和第二搅拌头旋转之前，分别将所述第一压轮和所述第二压轮接入电源正负极，并向所述第一压轮和所述第二压轮通电以对所述工件进行预热。

本发明的一个具体实施方式中，通入所述第一压轮和所述第二压轮的电流值为5-600A。

本发明的一个具体实施方式中，所述第一压轮和所述第二压轮预热10-60s后，所述第一搅拌头和所述第二搅拌头开始旋转。

本发明的一个具体实施方式中，第一搅拌头和第二搅拌头的转速为200-3000rpm，恒压力的预设值为10-50KN。

本发明的一个具体实施方式中，第一压轮、第二压轮、第一搅拌头和第二搅拌头的行进速度为50-2000mm/min。

本发明的一个具体实施方式中，所述工件的材质选自铝合金、镁合金、钢、钛合金中的一种或两种。

本发明的一个具体实施方式中，两个所述工件的厚度相同且均不小于3mm。

本发明的一个具体实施方式中，还包括于第一搅拌头和第二搅拌头旋转之前，在两个所述工件的焊缝处添加粒度为20-300μm中间合金粉，所述中间合金粉选自铝粉、铜粉、钛粉和/或镍粉。

本发明还提供了一种搅拌摩擦焊接设备，其用于上述任意一项所述的搅拌摩擦焊接方法，包括：

基座；

与所述基座相连的夹具，所述夹具适于夹持待焊接工件；

与所述基座相连的第一压轮、第二压轮，所述第一压轮与所述第二压轮适于滑动压紧于所述工件的两侧并所述工件通电预热；

与所述基座相连的第一搅拌头、第二搅拌头，所述第一搅拌头、所述第二搅拌头适于在两侧搅拌摩擦焊接所述工件；

驱动器，分别与所述第一压轮、第二压轮、第一搅拌头、第二搅拌头连接。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明提供的搅拌摩擦焊接方法通过在待焊接的工件的两个表面设置第一压轮和第二压轮，给待焊接的工件一个预先压紧力，焊接过程中，工件的双面进行同步搅拌摩擦焊，在第一压轮和第二压轮的稳定支撑下，双面的焊接作用力可以相互抵消，零件上下表面的温度场对称分布，从而有效降低零件内应力，减小零件变形，提高焊缝的力学性能。

通过将第一压轮和第二压轮接入电源正负极以通入大电流，电流贯穿零件表面由正极传导到负极，工件母材在大电流的作用下会产热，即相当于增加了一个焊接预先热源，对工件母材进行软化并使工件焊接温度场更加均衡。并且基于电流对零件母材的软化，可以有效降低搅拌头焊接过程中的磨损，进而使得上述焊接方法不仅可以用于焊接铝合金、镁合金等低熔点材料，还可以用于焊接钢、钛合金等高熔点材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明搅拌摩擦焊接过程中部分搅拌摩擦焊接装置的状态图。

附图标记说明：

1-工件，2-第一压轮，3-第二压轮，4-第一搅拌头，5-第二搅拌头。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

本发明提供了一种搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

将待焊接的两个工件1并排固定于夹具上以形成焊缝；

将第一压轮2、第二压轮3分别于焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件1两侧；将第一搅拌头4和第二搅拌头5分别停在两个所述工件1两侧的起焊位置；

第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转并扎入两个所述工件1的焊缝直至恒压力达到预设数值时停止扎入；

第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4和第二搅拌头5以设定的速度沿着接缝前进，两个所述工件1发生摩擦塑性变形并焊接连接。

进一步的，还包括于第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转之前，分别将所述第一压轮2和所述第二压轮3接入电源正负极，并向所述第一压轮2和所述第二压轮3通电以对所述工件1进行预热。

其中，通入所述第一压轮2和所述第二压轮3的电流值为5-600A。

进一步的，所述第一压轮2和所述第二压轮3预热10-60s后，所述第一搅拌头4和所述第二搅拌头5开始旋转。

进一步的，第一搅拌头4和第二搅拌头5的转速为200-3000rpm，恒压力的预设值为10-50KN。

进一步的，第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4和第二搅拌头5的行进速度为50-2000mm/min。

进一步的，所述工件1的材质选自铝合金、镁合金、钢、钛合金中的一种或两种。

进一步的，两个所述工件1的厚度相同且均不小于3mm。

进一步的，还包括于第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转之前，在两个所述工件1的焊缝处添加粒度为20-300μm中间合金粉，所述中间合金粉选自铝粉、铜粉、钛粉和/或镍粉。

上述方法步骤中，第一压轮2和第二压轮3为圆柱形滚轮，其均能于一个侧面同时压紧两个工件1，压紧时，第一压轮2和第二压轮3以预设的压紧力于焊缝的起焊位置处压紧工件1的两个侧面，并且第一压轮2和第二压轮3的中心轴线基本均与焊缝垂直，第一压轮2和第二压轮3的中心轴线所形成的平面与工件1基本垂直。

第一搅拌头4和第二搅拌头5停在工件1的两侧的起焊位置处，并且沿着焊接风向，第一搅拌头4、第二搅拌头5分别置于第一压轮2、第二压轮3的后方。

如图1所示，本发明另一方面还提供了一种搅拌摩擦焊接设备，用于上述搅拌摩擦焊接方法，该设备主要包括：

基座；

与所述基座相连的夹具，所述夹具适于夹持待焊接工件1；

与所述基座相连的第一压轮2、第二压轮3，所述第一压轮2与所述第二压轮3适于滑动压紧于所述工件1的两侧并所述工件1通电预热；

与所述基座相连的第一搅拌头4、第二搅拌头5，所述第一搅拌头4、所述第二搅拌头5适于在两侧搅拌摩擦焊接所述工件1；

驱动器，分别与所述第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4、第二搅拌头5连接。

实施例一

1.取两块尺寸为1000×200×10mm、材质为6061铝合金的待焊接工件1，并将其并排固定在夹具上，两块工件1的拼接处为焊缝；

2.将第一压轮2和第二压轮3分别焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件1两侧；将第一搅拌头4和第二搅拌头5分别停在两个所述工件1两侧的起焊位置；

3.开启电源以使第一压轮2和第二压轮3通电，其中电流值为200A；

4.通电预热20s之后，启动第一搅拌头4和第二搅拌头5，第一搅拌头4和第二搅拌头5以1800rpm速度旋转，然后慢慢扎入铝合金工件1，当恒压力值达到12KN时停止扎入；

5.第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4和第二搅拌头5同时以1000mm/min的速度前进，第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转进给使工件1发生摩擦塑性变形，从而形成焊缝使零件可靠连接。

通过对三组焊接工件的变形量和抗拉强度，得到如下表格：

而常规双面焊接工件的变形量和抗拉强度：

综上可知，采用本发明搅拌摩擦焊接方法得到的焊接件焊缝处的抗拉强度达到母材的86.5％，平均变形量仅0.5mm。而常规双面焊接的焊接件焊缝处的抗拉强度达到母材的76.8％，平均变形量为1.2mm。综合对比，本发明提供的搅拌摩擦焊接方法加工得到的双面焊接件的抗拉强度有明显提升，平均变形量明显降低。

实施例二

1.取两块尺寸为1000×200×10mm、材质为钛合金的待焊接工件1，并将其并排固定在夹具上，两块工件1的拼接处为焊缝；

2.在焊缝处添加纯镍粉，其中纯镍粉的粒度为20-300μm；

3.将第一压轮2和第二压轮3分别焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件1两侧；将第一搅拌头4和第二搅拌头5分别停在两个所述工件1两侧的起焊位置；

4.开启电源以使第一压轮2和第二压轮3通电，其中电流值为400A；

5.通电预热50s之后，启动第一搅拌头4和第二搅拌头5，第一搅拌头4和第二搅拌头5以1200rpm速度旋转，然后慢慢扎入钛合金工件1，当恒压力值达到20KN时停止扎入；

6.第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4和第二搅拌头5同时以1200mm/min的速度前进，第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转进给使工件1发生摩擦塑性变形，从而形成焊缝使零件可靠连接。

实施例三

1.取一块尺寸为1000×200×10mm、材质为6061铝合金的工件1和一块尺寸为1000×200×10mm、材质为304不锈钢的工件1，并将其并排固定在夹具上，两块工件1的拼接处为焊缝；

2.将第一压轮2和第二压轮3分别焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件1两侧；将第一搅拌头4和第二搅拌头5分别停在两个所述工件1两侧的起焊位置；

3.开启电源以使第一压轮2和第二压轮3通电，其中电流值为500A；

4.通电预热30s之后，启动第一搅拌头4和第二搅拌头5，第一搅拌头4和第二搅拌头5以1400rpm速度旋转，然后慢慢扎入工件1，当恒压力值达到10KN时停止扎入；

5.第一压轮2、第二压轮3、第一搅拌头4和第二搅拌头5同时以400mm/min的速度前进，第一搅拌头4和第二搅拌头5旋转进给使工件1发生摩擦塑性变形，从而形成焊缝使零件可靠连接。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待焊接的两个工件并排固定于夹具上以形成焊缝；

将第一压轮、第二压轮分别于焊缝起焊位置处压紧在两个所述工件两侧；将第一搅拌头和第二搅拌头分别停在两个所述工件两侧的起焊位置；

第一搅拌头和第二搅拌头旋转并扎入两个所述工件的焊缝直至恒压力达到预设数值时停止扎入；

第一压轮、第二压轮、第一搅拌头和第二搅拌头以设定的速度沿着焊缝前进，两个所述工件发生摩擦塑性变形并焊接连接。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，还包括于第一搅拌头和第二搅拌头旋转之前，分别将所述第一压轮和所述第二压轮接入电源正负极，并向所述第一压轮和所述第二压轮通电以对所述工件进行预热。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，通入所述第一压轮和所述第二压轮的电流值为5-600A。

4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述第一压轮和所述第二压轮预热10-60s后，所述第一搅拌头和所述第二搅拌头开始旋转。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，第一搅拌头和第二搅拌头的转速为200-3000rpm，恒压力的预设值为10-50KN。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，第一压轮、第二压轮、第一搅拌头和第二搅拌头的行进速度为50-2000mm/min。

7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述工件的材质选自铝合金、镁合金、钢、钛合金中的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，两个所述工件的厚度相同且均不小于3mm。

9.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，还包括于第一搅拌头和第二搅拌头旋转之前，在两个所述工件的焊缝处添加粒度为20-300μm中间合金粉，所述中间合金粉选自铝粉、铜粉、钛粉和/或镍粉。

10.一种搅拌摩擦焊接设备，其特征在于，用于权利要求1-9中任意一项所述的搅拌摩擦焊接方法，包括：

基座；

与所述基座相连的夹具，所述夹具适于夹持待焊接工件；

与所述基座相连的第一压轮、第二压轮，所述第一压轮与所述第二压轮适于滑动压紧于所述工件的两侧并所述工件通电预热；

与所述基座相连的第一搅拌头、第二搅拌头，所述第一搅拌头、所述第二搅拌头适于在两侧搅拌摩擦焊接所述工件；

驱动器，分别与所述第一压轮、第二压轮、第一搅拌头、第二搅拌头连接。

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