CN212169327U - 一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台包括固定夹紧装置，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头，所述搅拌头处设置有气体保护机构；该搅拌摩擦对接焊装置还包括激光输出机构，所述激光输出机构包括若干设置于所述气体保护机构上部的二号激光输出机构；所述搅拌头内部设置有中空状的放置槽。本实用新型通过在常规搅拌摩擦对接焊设备的搅拌头内设置激光输出机构、气体保护机构或电流加热机构，改善只有表面激光加热时待焊区域底部软化不足的问题，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向压力。

Description

一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置

技术领域

本实用新型属于搅拌摩擦焊设备技术领域，具体涉及一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置。

背景技术

搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所研发的一种新型的固相连接技术。其原理是通过一个带有特殊轴肩的搅拌头以一定的转速旋转***被焊接件的待焊接处，由于搅拌头与焊件摩擦生热，使得搅拌头周边区域材料温度上升，达到热塑状态，在旋转的同时，搅拌头以一定的速度向前移动，此时热塑化的材料会在搅拌头的作用下沿着搅拌头旋转方向进行移动，材料在轴肩压力的作用下形成可靠的固相连接。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁合金等低熔点、高性能的金属材料焊接中，避免了传统焊接技术在焊接此类材料时产生的气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，减小了焊接变形，节省了焊接材料。但是受到搅拌头用材的制约，搅拌摩擦焊在钛、钢、镍等焊接难度较大的高强度合金上的应用仍有一定局限。

受制于搅拌摩擦焊工艺本身会使焊接过程中焊缝厚度方向存在一定的温度梯度，由于搅拌头轴肩的摩擦作用使焊缝上表面温度最高，沿厚度方向温度逐渐降低，焊缝底端温度最低，温差随着焊接物厚度的增加而增加，因此在厚板焊接过程中缝底部容易产生未焊透、未熔合和弱连接等缺陷，影响焊缝厚度方向力学性能的均匀性并导致焊缝整体力学性能降低。从而使大厚度钛、钢、镍等高熔点、高强度材料搅拌摩擦焊成为现阶段的一个难点，而要实现大厚度高熔点、高强度异种材料的搅拌摩擦焊就更是难上加难。

为了解决大厚度板材的搅拌摩擦焊问题，研究人员从焊接设备、焊接工艺等多方面进行优化和改进，但效果都不是很令人满意。如专利CN103978304 A公开了一种厚板搅拌摩擦焊接工艺，其通过在厚板上开设对称阶梯状坡口，凹坑中嵌入与板材同质的嵌入条，通过对厚板分层多次与嵌条搅拌摩擦对接焊，实现厚板间的对接焊，但该方法不仅工艺复杂，最主要存在的问题是上下嵌条在板厚方向没有有效连接，从而成为整个焊接件的薄弱环节，影响了焊件的性能和使用范围。而专利CN 109483071 A公开了一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其通过对大厚度板材上部激光焊，下部搅拌摩擦焊来实现大厚度板材的焊接，但激光焊接与搅拌摩擦焊接形成的焊缝性能有很大的差异，从而使厚板在厚度方向上焊接性能不一致。在专利CN 109202265 A公开了一种重载搅拌摩擦焊机器人，它由两个以上并联结构机器人逐级串联在一起，形成同时具有串联和并联特征的混联机器人，并在混联机器人末端的机头座上可安装搅拌摩擦焊机。本技术方案中的混联机器人刚度高、承载能力强，能实现大厚度工件的搅拌摩擦焊接。但混联机器人结构复杂，而且价格高昂。

因此，开发和设计一种可用于大厚度高熔点、高强度异种材料搅拌摩擦焊装置具有重要的经济、社会和现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台包括固定夹紧装置，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头，所述搅拌头处设置有气体保护机构；

该搅拌摩擦对接焊装置还包括激光输出机构，所述激光输出机构包括若干设置于所述气体保护机构上部的二号激光输出机构；

所述搅拌头内部设置有中空状的放置槽。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述气体保护机构包括保护气罩，所述保护气罩的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩的顶端设置有进气管，所述进气管与外部的供气设备连接；所述保护气罩的顶端设置有若干通孔，其中一个通孔用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头，所述搅拌头贯穿该通孔，使搅拌头设置于保护气罩的内部；所述搅拌头末端的搅拌针不超过保护气罩的底表面，所述保护气罩的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述二号激光输出机构的输出端分别穿设于通孔中，且所述二号激光输出机构输出端输出激光光斑照射于待焊接工件相接触界面区域，所述二号激光输出机构输出的激光光斑位于搅拌头焊接方向的前部。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述搅拌头与二号激光输出机构之的距离根据具体的焊接操作要求来决定，所述二号激光输出机构的光斑作用中心与搅拌头在焊接表面的作用中心之间的距离L＝20-45mm。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述工作台表面设置有隔热板，所述隔热板表面用于放置待焊接的钛合金板和镍合金板。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述搅拌摩擦焊设备的外部还设置有一号激光输出机构，所述放置槽的顶端与一号激光输出机构的输出端连接，通过一号激光输出机构向搅拌头的放置槽内输出激光，所述一号激光输出机构的激光束到达放置槽的末端。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述放置槽内设置有与其相互匹配的铜芯电极，所述铜芯电极的侧表面包裹有绝缘套，且其底部与搅拌头底部的搅拌针接触，所述铜芯电极的输入端与设置于搅拌摩擦焊设备外部的脉冲电源的一端连接，所述隔热板表面与待焊接工件对接界面对应处设置有绝缘槽，所述绝缘槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫，所述弹性绝缘隔热垫的上表面与带焊接工件对接界面对应处设置有凹槽，所述凹槽内设置有与其相互匹配的铜板电极，所述铜板电极的输入端与所述脉冲电源一端连接。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型通过在常规搅拌摩擦对接焊设备的搅拌头沿焊接方向前部待焊钛镍异种材料工件侧分别增加一个激光加热热源，利用两束高能量密度的聚焦激光，快速加热同时软化钛合金和镍基合金异种材料待焊区域表面，通过分别控制激光输出功率、光斑的尺寸及作用中心，降低钛镍两者表面硬度并使其软化后硬度相当；

2)本实用新型通过在搅拌头内部设置激光输出机构，对搅拌针进行加热，搅拌针底端通过吸收激光束光能瞬时转化为热能并传导至焊接物底部，改善只有表面激光加热时待焊区域底部软化不足的问题，同时使大厚度待焊钛镍异种材料上下同步达到软化，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向压力，搅拌针径向受力及受力不均匀问题，同时有利于搅拌摩擦焊接过程中待焊钛钢异种材料的相互流动与融合，并可以减小搅拌头与工件之间的磨损，另外可有效消除大厚度焊接时焊缝底部产生的未焊透、未熔合和弱连接等缺陷，改善焊缝厚度方向力学性能的均匀性并提高焊缝整体力学性能，该方法具有大大增加搅拌头寿命，在同等搅拌头转速下可提高焊接速度，从而提高焊接效率；

3)本实用新型通过设置脉冲电源，高强度脉冲电流通过搅拌针头部和其下端的焊接物，电流产生的焦耳热软化焊接物下端，同时改善材料的塑性和流动性，达到减少焊接缺陷、细化晶粒，提高焊接强度、减小焊接应力的目的；

4)本实用新型通过设置保护气罩，与通常的开放式吹气保护相比，既提高了保护效果，进一步减小高活性钛搅拌摩擦焊接过程中吸氢、吸氧、吸氮问题，同时可减少保护气体的消耗量；

5)本实用新型通过在焊接钛镍异种材料底部放置隔热板，可减小焊接物厚度方向的温度梯度，使焊接物底部也具有足够的软化效果，从而增加底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使底部钛镍异种材料也能充分混合，减少底部各种焊接缺陷，提高焊缝质量；

6)本实用新型与电弧、感应等外加能量相比，采用激光辅助搅拌摩擦焊具有加热区域精确可控，能量利用率高等优点；

7)本实用新型结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现，除可用于钛镍异种材料的焊接外，也可用于其它高强度、高熔点异种材料的搅拌摩擦对接焊。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的第一剖面结构示意图；

图2是本实用新型实施例1的第二剖面结构示意图；

图3是本实用新型实施例2的第一剖面结构示意图；

图4是本实用新型实施例2的第二剖面结构示意图。

图中：1、隔热板；2、钛合金板；3、搅拌头；4、保护气罩；6、一号激光输出机构；7、镍合金板；11、弹性绝缘隔热垫；12、铜板电极；31、放置槽；32、搅拌针；33、绝缘套；34、铜芯电极；41、通孔；42、进气管；43、二号激光输出机构。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

实施例1

如图1和2所示，一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊机构和激光加热机构，所述工作台表面设置有隔热板1，所述隔热板1表面用于放置待焊接的合金板，通过设置隔热板1可减小焊接物厚度方向的温度梯度，使焊接物底部也具有足够的软化效果，从而增加底部区域在焊接过程中材料的流动及流动量，使底部钛镍异种材料也能充分混合，减少底部各种焊接缺陷，提高焊缝质量。所述工作台还包括固定夹紧装置，便于将隔热板1、待焊接合金板固定在工作台表面，便于对合金板进行焊接操作，保持工作区域的稳定性。

所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头3和气体保护机构，其输出端用于对待焊接的合金板进行焊接；所述搅拌头3内部设置有中空状的放置槽31，所述放置槽31的顶端与外部设置的一号激光输出机构6的输出端连接，通过一号激光输出机构6向搅拌头3的放置槽31内输出激光，所述搅拌头3的末端设置有搅拌针32，一号激光输出机构6的激光束到达放置槽31的末端，进而对搅拌头3末端的搅拌针32进行激光加热，搅拌针32吸收激光束的热能并传导至搅拌针32接触的焊接物，从而提高搅拌摩擦焊设备的焊接质量和效率。

所述气体保护机构包括保护气罩4，所述保护气罩4的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩4的顶端设置有进气管42，所述进气管42与外部的供气设备连接，通过进气管42向保护气罩4内充入保护气体，所述保护气体为氮气；所述保护气罩4的顶端设置有若干通孔41，其中一个通孔41用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头3，所述搅拌头3贯穿该通孔41，使搅拌头3设置于保护气罩4的内部，以便搅拌头3在保护气罩4的保护下对待焊接合金板进行焊接，需要说明的是，所述搅拌头3末端的搅拌针32不超过保护气罩4的底表面，所述保护气罩4的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合，便于使保护气罩4与待焊接合金板表面之间紧密贴合，保持焊接过程中的密闭性，且可以使待焊接合金板与保护气罩4之间可相对滑动，便于搅拌摩擦焊设备对合金板进行焊接操作。

所述激光加热机构包括设置于所述保护气罩4上部的若干二号激光输出机构43，所述二号激光输出机构43的输出端分别穿设于通孔41中，且所述二号激光输出机构43输出端输出激光光斑照射于待焊接合金板相接触界面区域，所述二号激光输出机构43输出的激光光斑位于搅拌头3焊接方向的前部，便于二号激光输出机构43预先对待焊接的合金板进行预热。需要说明的是，所述搅拌头3与二号激光输出机构43之的距离根据具体的焊接操作要求来决定，一般来说，二号激光输出机构43的光斑作用中心与搅拌头3在焊接表面的作用中心之间的距离可以是L＝20-45mm。

实施例2

如图3和4所示，一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，与实施例1的区别在于，所述搅拌头3内部设置有中空状的放置槽31，所述放置槽31内设置有与其相互匹配的铜芯电极34，所述铜芯电极34的侧表面包裹有绝缘套33，且其底部与搅拌头3底部的搅拌针32接触，所述铜芯电极34的输入端与设置于搅拌摩擦焊设备外部的脉冲电源的一端连接；所述隔热板1表面与待焊接工件对接界面对应处设置有绝缘槽，所述绝缘槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫11，所述弹性绝缘隔热垫11的上表面与带焊接工件对接界面对应处设置有凹槽，所述凹槽内设置有与其相互匹配的铜板电极12，所述铜板电极12的输入端与所述脉冲电源一端连接，通过脉冲电源、铜芯电极34、铜板电极12以及搅拌头3与带焊接工件，使两块电极之间形成一条通路，脉冲电源输出高强度脉冲电流，并通过搅拌针32及其底部的待焊接工件，电流产生的焦耳热软化待焊接工件下端，同时改善工件的塑性和流动性，达到减少焊接缺陷、细化晶粒，提高焊接强度、减小焊接应力的目的。

以上述实施例1中搅拌摩擦对接焊装置为例，介绍其对钛镍异种材料的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1：在工作台上依次放置安装隔热板1、待焊接的钛合金板2和镍合金板7，并用活动夹块和高强螺栓等固定夹紧装置将其固定在工作台上，使搅拌摩擦焊的搅拌头3位于两块合金板对接界面正上端，且两个二号激光输出机构43的输出端分别照射于钛合金板2和镍合金板7区域，根据焊接要求调节搅拌摩擦焊的搅拌头3与二号激光输出机构43之间的距离，并最终固定搅拌摩擦焊设备和二号激光输出机构43；

步骤S2：通过保护气罩4上的进气管42输入纯度为99.9-99.99％、流量为3-40L·min^-1的氩气作为保护气体，且进气管42指向钛合金板2区域，同时启动一号激光输出机构6和二号激光输出机构43，分别对钛合金板2、镍合金板7以及搅拌针32进行预热软化；

步骤S3：启动搅拌摩擦焊设备，在轴向下压力作用下搅拌头3旋转，并使搅拌头3沿待焊钛合金板2与镍合金板7的对接界面方向相对进给运动，完成搅拌摩擦对接焊操作，使钛合金板2与镍合金板7焊接一体。

需要说明的是，若采用实施例2制备的装置对钛镍异种材料进行加工，其与上述操作的区别在于：

步骤S2’：通过保护气罩4上的进气管42输入纯度为99.9-99.99％、流量为3-40L·min^-1的氩气作为保护气体，且进气管42指向钛合金板2区域，同时启动二号激光输出机构43，分别对钛合金板2、镍合金板7以及搅拌针32进行预热软化；

步骤S3’：启动搅拌摩擦焊设备和脉冲电源，在轴向下压力作用下搅拌头3旋转，并使搅拌头3沿待焊钛合金板2与镍合金板7的对接界面方向相对进给运动，同时脉冲电源通过铜芯电极34和铜板电极12对待焊接工件施加高强度脉冲电流，软化焊缝下端的待焊接工件，最终完成搅拌摩擦对接焊操作，使钛合金板2与镍合金板7焊接一体。

需要说明的是，所述步骤S1中钛合金板2置于搅拌摩擦焊设备的搅拌头3旋转方向后退侧，镍合金板7置于搅拌头3旋转方向前进侧，钛合金板2和镍合金板7厚度均为5-30mm；

所述步骤S2和S2’中，一号激光输出机构6和二号激光输出机构43的激光设定参数包括输出功率、激光照射到合金板表面的光斑尺寸以及作用中心，且二号激光输出机构43的激光设定参数是根据搅拌头3中心偏向钛合金侧的偏移距离及搅拌头3轴肩直径决定的，其中，二号激光输出机构43输出的激光束照射到合金板表面光斑的一侧与合金对接面相切，另一侧与搅拌头3轴肩作用于待焊接合金板表面后形成的相对运动外轮廓线相切，即与搅拌摩擦焊后的焊缝边缘相切；

所述搅拌头3中心偏向钛合金侧的偏移距离e＝0-6mm；

所述二号激光输出机构43输出的激光照射到合金板表面的光斑作用中心在搅拌头3沿焊接方向的前部，二者之间的距离L＝18-45mm；

作用于钛合金板2区域的二号激光输出机构43的输出功率为600-8500W，激光照射到钛合金板2表面的光斑直径为8-20mm，作用于镍合金板7区域的二号激光输出机构43的输出功率为500-7000W，激光照射到镍基合金板表面的光斑直径为5-15mm，所述一号激光输出机构6的激光束功率为300-900W，激光光斑直径为3-6mm。

所述步骤S3中搅拌头3受到的轴向下压力F＝4000-27000N，搅拌头3旋转方向为顺时针，转速n＝350-1500r·min^-1，焊接速度为v＝5-40mm·min^-1。

所述步骤S3’中的脉冲电流为矩形方波，脉冲电流均值I＝500-2500A，脉冲宽度为η＝50-5000μs，脉冲频率为f＝40-4000Hz。

需要说明的是，所述钛合金板2包括但不限于TC4钛合金板2和TA2钛合金板2，所述镍合金板7包括但不限于GH3652镍合金板7和GH4169镍合金板7。

采用本实用新型的装置制备的合金板与普通的合金板相比，搅拌头3轴向下压力更小，搅拌头3转速更低，焊接速度更高，具有增加搅拌头3寿命，另外也可改善焊缝质量，特别是可有效消除焊缝底部产生的未焊透、未熔合和弱连接等缺陷，改善焊缝厚度方向力学性能的均匀性并提高焊缝整体力学性能等优点，另外可减少搅拌头3，特别是搅拌针32头部的磨损，从而提高搅拌头3寿命。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台和搅拌摩擦焊机构，所述工作台包括固定夹紧装置，所述搅拌摩擦焊机构包括搅拌摩擦焊设备，其特征在于：所述搅拌摩擦焊设备的输出端包括搅拌头(3)，所述搅拌头(3)处设置有气体保护机构；

该搅拌摩擦对接焊装置还包括激光输出机构，所述激光输出机构包括若干设置于所述气体保护机构上部的二号激光输出机构(43)；

所述搅拌头(3)内部设置有中空状的放置槽(31)。

2.根据权利要求1所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述气体保护机构包括保护气罩(4)，所述保护气罩(4)的顶端与搅拌摩擦焊设备的输出端固定连接，且其底部为敞开状，所述保护气罩(4)的顶端设置有进气管(42)，所述进气管(42)与外部的供气设备连接；所述保护气罩(4)的顶端设置有若干通孔(41)，其中一个通孔(41)用于放置搅拌摩擦焊设备的搅拌头(3)，所述搅拌头(3)贯穿该通孔(41)，使搅拌头(3)设置于保护气罩(4)的内部；所述搅拌头(3)末端的搅拌针(32)不超过保护气罩(4)的底表面，所述保护气罩(4)的底表面与待焊接合金板表面相互配合，且相互贴合。

3.根据权利要求2所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述二号激光输出机构(43)的输出端分别穿设于通孔(41)中，且所述二号激光输出机构(43)输出端输出激光光斑照射于待焊接工件相接触界面区域，所述二号激光输出机构(43)输出的激光光斑位于搅拌头(3)焊接方向的前部。

4.根据权利要求3所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述搅拌头(3)与二号激光输出机构(43)之的距离根据具体的焊接操作要求来决定，所述二号激光输出机构(43)的光斑作用中心与搅拌头(3)在焊接表面的作用中心之间的距离L＝20-45mm。

5.根据权利要求4所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述工作台表面设置有隔热板(1)，所述隔热板(1)表面用于放置待焊接的钛合金板(2)和镍合金板(7)。

6.根据权利要求5所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述搅拌摩擦焊设备的外部还设置有一号激光输出机构(6)，所述放置槽(31)的顶端与一号激光输出机构(6)的输出端连接，通过一号激光输出机构(6)向搅拌头(3)的放置槽(31)内输出激光，所述一号激光输出机构(6)的激光束到达放置槽(31)的末端。

7.根据权利要求5所述的一种用于大厚度钛镍异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述放置槽(31)内设置有与其相互匹配的铜芯电极(34)，所述铜芯电极(34)的侧表面包裹有绝缘套(33)，且其底部与搅拌头(3)底部的搅拌针(32)接触，所述铜芯电极(34)的输入端与设置于搅拌摩擦焊设备外部的脉冲电源的一端连接，所述隔热板(1)表面与待焊接工件对接界面对应处设置有绝缘槽，所述绝缘槽内设置有与其相互匹配的弹性绝缘隔热垫(11)，所述弹性绝缘隔热垫(11)的上表面与带焊接工件对接界面对应处设置有凹槽，所述凹槽内设置有与其相互匹配的铜板电极(12)，所述铜板电极(12)的输入端与所述脉冲电源一端连接。

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