CN212311145U - 一种用于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异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊设备和待焊接工件，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述搅拌摩擦焊设备包括设置于所述工作台上方的搅拌头，所述搅拌头放置于所述工作台表面的待焊接工件的对接界面正上方并垂直于待焊接工件表面，所述搅拌头的焊接移动方向与对接界面相一致，该装置还包括预热机构，所述预热机构包括设置于所述搅拌头焊接移动方向前部的激光加热器和感应加热器。本实用新型通过设置预热机构，使经过感应加热软化的铜板与经过感应加热、激光复合加热软化的钢板强度相当，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向下压力，径向受力及径向受力不均匀问题。

Description

一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置

技术领域

本实用新型属于一种材料焊接技术领域，具体涉及一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置。

背景技术

随着工业的发展和科技的进步，异种金属的连接显得越来越重要。异种金属的连接一方面可以充分利用不同金属的性能来实现特定的功能，满足特殊需求，如硬度、耐蚀性、耐磨性、导电性等；另一方面也可以减少资源的浪费，实现资源的合理配置，降低生产成本，显著提高经济效益。

铜钢复合零部件在航空航天、核电站、冶金等工业制造中都有应用。铜或铜合金与钢连接可以形成能满足各种特殊需求的金属结构，特别是要求既具有高强度，又要有高导电和导热性能的工件，同时可以降低成本。由于铜和钢这两种金属在化学性质、物理和力学性能等方面都有很大差异，容易在焊接接头中产生应力集中，导致焊接裂纹，因此焊接难度大。铜与钢的焊接有熔化焊和固态焊。用熔化焊焊接铜与钢时，焊接工艺复杂，接头易产生缺陷；惯性摩擦焊焊接铜与钢，可获得良好接头质量，但其焊接对象主要是回转体，受被焊工件几何形状的限制。

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所提出的一种固相连接方法，其优点是焊缝晶粒细小，接头力学性能良好，焊接时无烟尘、无飞溅、焊后残余应力和变形小。搅拌摩擦焊目前主要用于铝合金，由于其焊接时的巨大优势，使得它在镁合金、铜合金、碳钢及其它异种金属的焊接中也展现了较好的前景。

影响异种材料搅拌摩擦焊工艺的因素，主要包括：母材的牌号和厚度、焊前母材处理与否、焊前母材的放置位置、搅拌头施加压力、搅拌头旋转速度、焊接速度、搅拌头材料和形状、工装夹具等。尽管针对多种组合异种材料的搅拌摩擦焊焊接在国内外都进行了一定探索，但就技术成熟度而言，铜钢异种材料搅拌摩擦焊距离大型工程化应用还有待进一步的研究和认证。

因此，开发和设计一种能够用于铜钢异种材料的感应、激光复合加热辅助搅拌摩擦焊装置，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：

一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊设备和待焊接工件，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件和二号工件，所述搅拌摩擦焊设备包括设置于所述工作台上方的搅拌头，所述搅拌头放置于所述工作台表面的待焊接工件的对接界面正上方并垂直于待焊接工件表面，所述搅拌头的焊接移动方向与对接界面相一致，该装置还包括预热机构，所述预热机构包括设置于所述搅拌头焊接移动方向前部的激光加热器和感应加热器。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述激光加热器包括设置于所述工作台上方的激光加热器输出端，所述激光加热器输出端用于输出激光，且所述激光加热器输出端输出的激光用于对对接界面处的二号工件进行加热，所述激光加热器输出端输出的激光照射在待焊接工件表面的激光光斑一侧与对接界面相接，另一侧与搅拌头轴肩在对接界面处焊接后形成的轨迹线外沿相接。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述感应加热器的末端设置有感应加热器输出端，所述感应加热器输出端用于向对接界面处进行高频感应加热。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述一号工件包括但不限于铜板，所述二号工件包括但不限于钢板，所述工作台与待焊接工件之间还设置有隔热板，所述隔热板用于隔绝工作台表面和待焊接工件。

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基础上引入感应加热、激光加热，通过在搅拌头的前部安装高频感应加热机构，利用电磁感应原理对待焊工件进行加热，达到软化材料、降低材料的流变抗力、从而达到提高焊接效果的目的；同时利用激光束照射到待焊高熔点、高硬度的钢板侧，利用聚焦激光的高能量密度，快速加热并软化钢板待焊区域，进一步降低钢板强度，使经过感应加热软化的铜板与经过感应加热、激光复合加热软化的钢板强度相当，使待焊铜钢异种材料同步达到软化，可大大减少焊接过程中搅拌头轴向下压力，径向受力及径向受力不均匀问题，同时有利于搅拌摩擦焊接过程中待焊铜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；

2)本实用新型通过在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，使底部铜钢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；

3)本实用新型结构简单，稳定性高，设计合理，便于实现，除可用于铜钢异种材料的焊接外，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是本实用新型的整体结构示意图。

图中：1、一号工件；2、二号工件；3、隔热板；4、感应加热器输出端；5、激光加热器输出端；6、感应加热器；7、激光束；8、激光光斑；9、搅拌头；10、焊缝；11、对接界面。

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所示，一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊设备、预热机构和待焊接工件，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件1和二号工件2，所述一号工件1 包括但不限于铜板，所述二号工件2包括但不限于钢板，所述一号工件1 和二号工件2相互对接形成对接界面11，通过在对接界面11进行搅拌摩擦焊接，使一号工件1和二号工件2相互连接。所述工作台与待焊接工件之间还设置有隔热板3，所述隔热板3用于隔绝工作台表面和待焊接工件，避免在焊接过程中的高温对工作台表面造成损坏。

所述搅拌摩擦焊设备包括设置于所述工作台上方的搅拌头9，所述搅拌头9放置于所述工作台表面的待焊接工件的对接界面11正上方并垂直于待焊接工件表面，所述搅拌头9的焊接移动方向与对接界面11相一致，便于对待焊接工件的对接处进行焊接。

所述预热机构包括设置于所述搅拌头9焊接移动方向前部的激光加热器，所述激光加热器包括设置于所述工作台上方的激光加热器输出端5，所述激光加热器输出端5用于输出激光，且所述激光加热器输出端5输出的激光用于对对接界面11处的二号工件2进行加热，所述激光加热器输出端5输出的激光照射在待焊接工件表面的激光光斑8一侧与对接界面11相接，另一侧与搅拌头9轴肩在对接界面11处焊接后形成的轨迹线外沿相接，即所述激光加热器输出端5输出的激光光斑8直径与搅拌头9轴肩的半径一致。通过激光预热，利用激光束7照射到待焊高熔点、高硬度的钢板侧，利用聚焦激光的高能量密度，软化钢板待焊区域，降低钢板强度。

所述预热机构还包括设置于所述工作台上方的感应加热器6，所述感应加热器6的末端设置有感应加热器输出端4，所述感应加热器输出端4用于向对接界面11处进行高频感应加热，进而对对接界面11处的一号工件1 和二号工件2进行焊接前的预热，利用电磁感应原理对待焊材料进行加热，达到软化材料、降低材料的流变抗力、从而达到提高焊接效果的目的。

上述搅拌摩擦对接焊装置在具体使用时，包括以下步骤：

步骤S1：在工作台上依次放置隔热板3、一号工件1和二号工件2，并将工件固定在工作台上；

步骤S2：调整并固定感应加热器6和激光加热器，启动后分别对对接界面11及其附近的一号工件1、二号工件2进行预热软化；

步骤S3；将搅拌头9对准对接界面11，启动后在轴向压力作用下旋转，沿对接界面11方向对预热软化后的对接假面进行搅拌摩擦焊，并最终完成工件的搅拌摩擦对接焊。

需要说明的是，所述步骤S1中一号工件1置于搅拌头9旋转方向后退侧，二号工件2置于搅拌头9旋转方向前进侧，一号工件1和二号工件2 的厚度均为δ＝2-15mm。

所述步骤S2中，感应加热器6的设置参数根据待焊接工件的种类、厚度等因素决定，其参数包括电流频率f、线圈匝数N及作用中心，所述感应加热器6的电流频率f＝15-80kHZ，线圈匝数N＝15-50匝；所述感应加热器 6加热中心与搅拌头9中心在同一水平线上，感应加热区域直径与搅拌头9 轴肩直径相同，即与搅拌头9焊接后形成的焊缝10所在区域；所述感应加热器6的作用中心在搅拌头9沿焊接方向的前部，与搅拌头9中心之间的水平距离L＝20-40mm。

所述步骤S2中激光加热器的输出功率P、激光光斑8尺寸及作用中心等参数需要根据搅拌头9中心偏向一号工件1的偏移距离e及搅拌头9轴肩直径决定，本申请中的偏移距离e＝0-5mm，所述激光加热器的输出功率 P＝450-5000W，激光光斑8直径为5-15mm。

所述步骤S3中，搅拌头9受到轴向下压力F＝3500-20000N，搅拌头9 旋转方向为顺时针，转速n＝350-1200r·min^-1，焊接速度为v＝8-60mm·min^-1。

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 (4)

1.一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，包括工作台、搅拌摩擦焊设备和待焊接工件，所述工作台用于放置和固定待焊接工件，所述待焊接工件包括一号工件(1)和二号工件(2)，所述搅拌摩擦焊设备包括设置于所述工作台上方的搅拌头(9)，所述搅拌头(9)放置于所述工作台表面的待焊接工件的对接界面(11)上方并垂直于待焊接工件表面，所述搅拌头(9)的焊接移动方向与对接界面(11)相一致，其特征在于：该装置还包括预热机构，所述预热机构包括设置于所述搅拌头(9)焊接移动方向前部的激光加热器和感应加热器。

2.根据权利要求1所述的一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述激光加热器包括设置于所述工作台上方的激光加热器输出端(5)，所述激光加热器输出端(5)用于输出激光，且所述激光加热器输出端(5)输出的激光用于对对接界面(11)处的二号工件(2)进行加热，所述激光加热器输出端(5)输出的激光照射在待焊接工件表面的激光光斑(8)一侧与对接界面(11)相接，另一侧与搅拌头(9)轴肩在对接界面(11)处焊接后形成的轨迹线外沿相接。

3.根据权利要求2所述的一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述感应加热器的末端设置有感应加热器输出端(4)，所述感应加热器输出端(4)用于向对接界面(11)处进行高频感应加热。

4.根据权利要求3所述的一种用于异种材料的搅拌摩擦对接焊装置，其特征在于：所述一号工件(1)包括但不限于铜板，所述二号工件(2)包括但不限于钢板，所述工作台与待焊接工件之间还设置有隔热板(3)，所述隔热板(3)用于隔绝工作台表面和待焊接工件。

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