[发明专利]一种电阻热的搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于金属焊接领域，涉及一种搅拌摩擦焊接不锈钢的装置及方法，特别涉及一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法。

背景技术

不锈钢作为现代工业中一种重要材料，具有高强度、耐腐蚀、易加工等许多优异的特性，被广泛应用于船舶、车辆、汽车及家电设备等行业。在不锈钢加工工艺中，焊接成为必不可少的加工技术。目前，采用传统熔焊工艺焊接不锈钢时存在诸多问题：例如，奥氏体不锈钢易形成方向性强的柱状晶，利于杂质偏析而产生凝固裂纹；铁素体不锈钢在高的热循环作用下，铁素体晶粒易于长大，导致接头脆化；马氏体不锈钢易形成冷裂纹等。这使得采用传统的熔焊方法焊接不锈钢时难以获得理想的焊缝，在一定程度上限制了不锈钢的应用。

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年开发的一种新型固相焊接技术。搅拌摩擦焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织细化和均匀化。焊接过程中较低的热循环作用，减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性。搅拌摩擦焊接技术克服了传统熔焊工艺焊接不锈钢时出现的问题，为不锈钢焊接提供了一条极具发展潜力的途径。

但相对镁合金、铝合金等低熔点材料而言，由于不锈钢具有较高的强度和硬度，显著增加了不锈钢搅拌摩擦焊接的难度。尤其是不锈钢搅拌摩擦焊接时，搅拌头承受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，因而对搅拌头的材料提出了较高的要求。因此，设计开发成本低廉且使用寿命长 的搅拌摩擦焊用搅拌头成为解决不锈钢搅拌摩擦焊接的关键问题。不锈钢焊接时，温度高达1000℃以上，在如此高的温度下能满足使用要求的材料往往是难熔金属合金或结构陶瓷，这些材料的制造和加工难度都较大。目前，大多采用多晶立方氮化硼和钨基合金作为搅拌头材料。钨基合金韧性较好，焊接过程中不易发生脆性破坏，但较易发生磨损，且价格昂贵(约4万元/Kg)。而多晶立方氮化硼的耐磨性较好，材料成本相对较低，但其韧性较差，易于脆断，而且商用的PCBN主要为美国所垄断。由此可见，目前设计开发成本低廉，性能优良的搅拌头尚存在较大难度，导致不锈钢的搅拌摩擦焊接受到较大限制。

综上所述，要实现不锈钢的搅拌摩擦焊接，除了需要对搅拌头的材料、形状及尺寸做改进外，还需要在搅拌摩擦焊接过程中采用辅助加热工艺。利用辅助热源的高温作用将工件软化，使得施以较小的工作负荷就能驱动搅拌头移动，补偿搅拌头与工件摩擦产热的不足，增加金属的塑性流动，保证不锈钢搅拌摩擦焊接的实现。再者，在一定程度上降低对搅拌头材料高性能的要求，使得在不锈钢搅拌摩擦焊接过程中，使用焊接低熔点材料所用搅拌头成为可能，减轻了高性能搅拌头对不锈钢搅拌摩擦焊接的制约作用。同时，辅助加热工艺有效减少搅拌头的磨损，增加搅拌头的有效焊接长度，从而延长其使用寿命。从国内外的相关报道可见，辅助热源的形式有激光辅助热源、等离子辅助热源、电弧辅助热源和加热管辅助热源。但这些辅助热源及其装置在使用过程中都存在一些问题。例如，激光作为辅助热源，工件表面对其能量的反射较严重，热损失较多；等离子和电弧辅助热源的装置结构复杂，价格昂贵；加热管的加热效率低，加热时间长，大大降低了搅拌摩擦焊接的效率。

发明内容

针对上述现有技术中不锈钢搅拌摩擦焊接辅助加热技术存在的缺陷或 不足，本发明的目的在于，提供一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法，利用不锈钢材料本身高电阻率的特点，可有效焊接不锈钢材料。

为了实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：

一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，包括电源、变压器和搅拌头，搅拌头上有由电机驱动的轴肩和搅拌针；其特征在于，所述电源的两个输出端通过电缆与变压器的输入端相连，变压器的一个输出端通过电缆与垫板连接，所述的垫板用于放置被焊接工件，变压器的另一个输出端通过电缆与电刷连接，所述的电刷与位于搅拌头上端凹槽内的铜环接触。

上述电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置用于焊接不锈钢的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将两被焊接工件置于垫板的上表面，对接并压紧；

2)把变压器的电压降至2V～20V，使电流升高至200A～3000A，形成低压大电流；