[发明专利]双面对称搅拌摩擦焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)1991年开发的一种新型固相连接技术，与传统熔焊相比，它具有焊接质量高、生产成本低和无环境污染等优点，现已被成功应用于航天、飞机制造及铁路运输等领域。这种焊接方法常常是在被焊材料的一个面上进行的，因而称为单面搅拌摩擦焊。单面搅拌摩擦焊存在的不足是：焊接过程中搅拌头轴肩只作用于工件上表面，导致在厚度方向上被焊材料所受到的热机作用及焊缝形态的不对称，从而降低接头力学性能；在接头横截面前进侧，搅拌头与被焊材料的相对速度是搅拌头旋转线速度与焊接速度之和，而其在后退侧是搅拌头旋转线速度与焊接速度之差，导致接头横截面两侧所受的热机作用和焊缝形态的不对称，降低了接头的承载能力；此外，接头还可能存在难于检测的根部缺陷，导致安全隐患；由于焊接过程中工件需要特定形状的背部垫板，装卡难度大，设备刚度要求较高。

为了解决上述部分问题，有人开发了一种自持式搅拌摩擦焊接方法。在这种方法中，搅拌头采用上、下两个轴肩，下轴肩由搅拌针驱动，两个轴肩同向、等速旋转。由于焊接过程中搅拌针承受较大的拉应力、扭矩及弯矩，导致搅拌针极易断裂，大大限制了其焊接速度及应用范围。此外，由于上、下两个轴肩的旋转方向相同，还会增大接头横截面焊缝两侧不对称的程度，从而降低接头的承载能力。

发明内容

本发明解决了单面搅拌摩擦焊接头组织与力学性能不对称，存在根部缺陷，装卡困难，自持式搅拌摩擦焊搅拌针易断裂，焊接效率低，接头性能不高的技术问题，提供了一种双面对称搅拌摩擦焊接方法。

双面对称搅拌摩擦焊接方法如下：

一、将第一被焊工件3和第二被焊工件4用夹具固定在工作台上，使第一被焊工件3与第二被焊工件4对接且处于同一水平面；

二、将搅拌头1和搅拌头2以相同的旋转速度ω、相同或相反的旋转方向分别从第一被焊工件3和第二被焊工件4的上、下表面以相同的扎入速度v_z扎入第一被焊工件3和第二被焊工件4间的焊接起始位置，搅拌头1和搅拌头2的轴肩表面压入第一被焊工件3和第二被焊工件4间的深度均为h；

三、搅拌头1与搅拌头2以相同的焊接速度v_x沿第一被焊工件3与第二被焊工件4的对接面长度方向行走，直到焊接完成为止。

上述步骤二中所述搅拌头1和搅拌头2的几何尺寸相同；步骤二中所述的搅拌头1和搅拌头2相对于第一被焊工件3和第二被焊工件4处于对称的位置。

本发明具有以下优点：一、焊接过程中两个搅拌头相对于被焊工件产生对称的热作用及机械作用，从而改变焊缝形态，提高力学性能；二、通过调整上、下两个轴肩的旋转方向，可改善材料流动，消除接头横截面上两侧热机作用的不对称性，提高接头力学性能；三、采用两个搅拌头分别作用于被焊工件上、下表面，避免根部缺陷的产生；四、两个搅拌头同时产热，可显著提高焊接效率；五、焊接过程中不需要背部垫板，降低工件装卡要求；六、可有效消除接头横截面左、右两侧热机作用的不对称性，改善焊缝形态，提高接头力学性能。

附图说明

图1是具体实施方式一步骤二中搅拌头1和搅拌头2以相同的扎入速度v_z扎入第一被焊工件3和第二被焊工件4间的焊接起始位置过程示意图；图2是具体实施方式一中搅拌头1、搅拌头2与第一被焊工件3和第二被焊工件4在焊接时的相对位置示意图；图3是具体实施方式五中搅拌头1、搅拌头2与第一被焊工件3和第二被焊工件4在焊接时的相对位置示意图；图4是具体实施方式六中的实验采用对称搅拌摩擦焊接方法对铝合金进行焊接得到的典型铝合金双面对称搅拌摩擦焊接头横截面宏观形貌。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式双面对称搅拌摩擦焊接方法如下：

一、将第一被焊工件3和第二被焊工件4用夹具固定在工作台上，使第一被焊工件3与第二被焊工件4对接且处于同一水平面；

二、将搅拌头1和搅拌头2以相同的旋转速度ω、相同的旋转方向分别从第一被焊工件3和第二被焊工件4的上、下表面以相同的扎入速度v_z扎入第一被焊工件3和第二被焊工件4间的焊接起始位置，搅拌头1和搅拌头2的轴肩表面压入第一被焊工件3和第二被焊工件4间的深度均为h；

三、搅拌头1与搅拌头2以相同的焊接速度v_x沿第一被焊工件3与第二被焊工件4的对接面长度方向行走，直到焊接完成为止。