[发明专利]电加热摩擦点焊搅拌头及其焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电加热摩擦点焊搅拌头及其相应焊接方法，属于搅拌摩擦焊接技术。

背景技术

1991年，英国焊接研究所(TWI)发明了一种新型的固相搅拌摩擦焊接技术，该技术应用过程中不会产生如元素蒸发、气孔和裂纹等传统熔化焊所产生的缺陷，被誉为“最具革命性的焊接技术”，具有广阔的应用前景。其工作原理为，将高速旋转的带有搅拌针的搅拌头插入工件中，利用搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部软化，被焊材料在搅拌头的搅拌作用下发生塑性流动结合在一起形成不可拆分的原子间的连接的焊接方式。搅拌摩擦焊可以分为线搅拌摩擦焊和点搅拌摩擦焊两种。线搅拌摩擦是在旋转的搅拌头插入后，通过搅拌头的线性移动实现对工件的焊接而点搅拌摩擦焊则在焊接时保持搅拌头位置不变并通过其旋转和下压而实现材料的焊接。同传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有以下优异的性能：一、在冶金方面：搅拌摩擦焊件变形较小、尺寸稳定性和可靠性良好、接头晶粒细小、无焊缝金属元素的烧损且焊缝中裂纹较少。二、在环境保护方面：搅拌摩擦焊在焊前，焊接接口部位只需去油处理，无需打磨或洗刷；在焊接过程中，不需焊丝和保护气氛，也没有电弧、磁冲击、闪光、辐射、烟雾和异味的出现，不影响其它电器设备使用，绿色环保。三、在能源消耗方面：搅拌摩擦焊能够非常容易的实现轻合金的焊接，因此，有利于轻合金在汽车和航空航天领域的广泛应用，从而降低这些运载工具的重量而减少燃油的消耗。在焊接过程中，由于搅拌头和工件之间所产生的摩擦热有限(该摩擦热产生的温度一般低于被焊材料的再结晶温度)，材料塑性变形和流动不足，难以形成较好的焊缝。因此，在金属材料尤其是高熔点材料搅拌摩擦焊中引入辅助热源(该热源产生的温度要高于搅拌头与工件之间产生的摩擦热的温度)，不但有利于焊缝成形，而且能够降低搅拌头的磨损，提高焊接设备的实用寿命。因此，如何提高搅拌摩擦焊接过程中的温度，从而提高焊接质量，成为现有技术中丞待解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种电加热摩擦点焊搅拌头及其焊接方法，该技术可以显著提高焊接接头剪切拉伸性能并改善高熔点和低塑性材料的搅拌摩擦点焊性能。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种电加热摩擦点焊搅拌头，其特征在于，将高温电热圈套在搅拌头轴肩与夹持部位之间的区域，该区域外壁与高温电热圈内壁之间的距离控制在0.6±0.1mm的范围内，而高温电热圈固定于用于夹持搅拌头的主机机构上，利于焊接过程中高温电热圈与搅拌头同步运动。

上述的电加热摩擦点焊搅拌头的焊接方法，其特征在于包括以下过程，在搅拌摩擦点焊之前，采用高温电热圈对搅拌头进行加热，待搅拌头的温度升至被焊材料的再结晶温度以上并稳定时进行焊接，高温电热圈的加热温度保持不变至焊接过程结束。

本发明优点是通过在搅拌摩擦点焊过程中持续加热，提高了被焊材料的流动性及塑性变形能力。拉伸测试结果表明，采用此种焊接工艺进行镁合金点焊时，焊接接头的连接区宽度明显增加。因此，焊接接头的剪切拉伸性能显著提高。

附图说明

图1是未加热搅拌头的搅拌摩擦点焊接接头横断面的显微金相照片，可以看到，连接区域较窄，其宽度约为270μm。

图2是电加热摩擦点焊搅拌头的搅拌摩擦点焊接接头横断面的显微金相照片，可以看到，连接区域较宽，其宽度约为380μm。

图3是电加热摩擦点焊搅拌头和未加热搅拌头的搅拌摩擦点焊接接头剪切拉伸性能曲线，可以看到，同未加热搅拌头的搅拌摩擦点焊接接头相比，电加热摩擦点焊搅拌头的搅拌摩擦点焊接接头剪切拉伸性能得到近25％的提高。

具体实施方式

例1

在焊接之前，先将2.5mm的镁合金AZ31平板表面打磨并固定在夹持装置上，调节高温电热圈的温度使搅拌头温度升至480℃，稳定后进行焊接。在搅拌摩擦点焊接过程中，高温电热圈的加热温度保持不变直到焊接过程结束。

例2

在焊接之前，先将2.5mm的镁合金AZ31平板表面打磨并固定在夹持装置上，调节高温电热圈的温度使搅拌头温度升至490℃，稳定后进行焊接。在搅拌摩擦点焊接过程中，高温电热圈的加热温度保持不变直到焊接过程结束。

例3

在焊接之前，先将2.5mm的镁合金AZ31平板表面打磨并固定在夹持装置上，调节高温电热圈的温度使搅拌头温度升至500℃，稳定后进行焊接。在搅拌摩擦点焊接过程中，高温电热圈的加热温度保持不变直到焊接过程结束。