[发明专利]导电－搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是一种搅拌摩擦热源和电阻热源形成的复合热源的新型焊接技术。

背景技术

1991年英国焊接研究所(TWI)的Wayne Thomas发明了搅拌磨擦焊(Friction StirWelding-FSW)，它采用特殊形状的搅拌头，通过向搅拌头施加压力，将其插入待焊材料的结合面，直到搅拌头的轴肩和母材表面接触。随着搅拌头的下降，搅拌头的表面与母材摩擦产生热量，并在其周围形成螺旋状的塑性流体，轴肩下面同时产生塑性流体，结合界面的金属在摩擦热的作用下处于热塑性状态，然后开始焊接。在搅拌头的驱动下，搅拌头和母材做相对运动。搅拌头做搅拌运动是一个连续的热过程，产生的塑性流体从搅拌头前部向后方移动，随着工件的移动，搅拌头后面的塑流材料冷却形成焊缝，在搅拌头压力作用下形成塑化连接。搅拌摩擦焊具有以下优点：(1)固态连接：无粗大凝固组织和熔焊缺陷，热变形和残余应力小，可以实现大型框架结构的精密焊接；(2)制造成本低：焊前无需开坡口和特殊清理，无需金属填料、保护气体或焊剂，能量消耗比熔化焊低80％，还可实现水下焊接；(3)绿色环保：没有烟尘飞溅、强弧光、辐照和辐射，噪音低；(4)机械化/自动化：类似铣床加工，无需传统焊工的技术等级培训，操作过程简便，人为因素影响小，易于实现自动化，焊头质量重复性好；(5)工艺要求低：允许对接间隙容差0.1t(为板厚)；(6)焊缝表观好：焊工件表面平整，无明显焊缝凸起和焊滴缺陷，无需后续表面处理；(7)力学性能好：疲劳、断裂及弯曲等性能明显优于熔化焊，而且力学性能各向同性。从此以后，基于这种固相连接技术的明显优越性，使搅拌摩擦焊成为世界范围内得到快速发展的焊接技术之一，尤其是应用在铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、铅合金等低熔点的有色金属方面，在工程应用中带来了巨大的经济效益和社会效益。

搅拌摩擦焊在低熔点有色金属成功利用的过程中，科研人员发现对于像普通碳钢、不锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接应用方面并不理想，其焊接速度慢，质量差。究其原因，主要是这些金属熔点高，硬度大，金属组织内部的固溶颗粒，第二相粒子的阻碍作用等使得仅仅靠机械力和摩擦产生的热量输入不足以得到较好的塑性软化组织，不能形成良好的焊接接头。如果为了增加热量输入而增大搅拌头的下压力和转速，会使搅拌头温度急速上升，使搅拌头高温强度降低，加剧搅拌头的磨损，导致搅拌头的搅拌针断裂而使焊接质量严重下降，同时也影响搅拌头的使用寿命。目前国内外的焊接工作人员都在如何提高搅拌摩擦焊在这些金属的成功利用方面努力。目前国内外的研究人员主要从改变搅拌头的几何形状，优化焊接工艺参数，改变搅拌头轴肩或搅拌针的形状和材料方面努力，其效果不甚理想。因此，使用熔化焊接技术或是常规的连续驱动(惯性)摩擦焊技术进行焊接。

在如何加大焊接热量的输入方面着手论文有很多，其主要思路是使用激光热源或电子束焊接热源进行搅拌摩擦复合焊接，这类复合技术的成本很高，应用受到局限。也有研发常规电弧热源辅助的搅拌摩擦技术，其中有一件中国发明专利(名称为“钨极惰性气体保护电弧焊预热-搅拌摩擦焊接复合方法”，专利号为“200510025485.0”)提供了一种新型的采用预热方式的搅拌摩擦焊技术，该发明在焊缝的正面沿焊接方向依次布置钨极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊，并且钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上保持距离，钨极惰性气体保护焊枪固定在与搅拌头相联的滑动导杆上，钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头之间的距离通过导杆上的调节螺丝来调节，钨极惰性气体保护电弧首先施焊，然后搅拌头在电弧对焊缝预热的条件下，在压力作用下进行搅拌摩擦焊接。上述发明能有效控制和减少焊接时搅拌头下压力，从而减少搅拌头的磨损，延长搅拌头的使用寿命，同时提高焊接速度和焊接质量，简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制。但是，上述方法也具有一些缺陷：电弧加热不均匀，容易引起应力集中和引起工件的变形；同时，利用电弧预热待焊区，温度控制不准确，可能熔化金属或是预热不足，增加了搅拌摩擦焊接的复杂性，同时利用氩气保护电弧提高了焊接的成本，设备复杂化，限制了该焊接质量的提高和技术发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法，该方法利用导电和接触电阻产生的电阻热能增加搅拌摩擦焊在焊接黑色金属及高温合金结构材料时在能量输入上的不足；同时，由于电阻热受热均匀，故可以提高黑色金属和高温合金结构材料的焊接速度和焊接质量，降低搅拌头与工件的摩擦阻力，从而延长搅拌头的使用寿命，降低焊接缺陷，消除焊接应力。