[发明专利]电磁塑性搅拌摩擦焊焊具及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊焊具及方法，具体涉及一种用于电流辅助搅拌摩擦焊的绝缘焊具及利用该焊具实现的电磁塑性搅拌摩擦焊的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所(The WeldingInstitute，TWI)发明以来，由于其具有焊接变形小、残余应力小，接头质量好、焊缝为细晶锻造组织结构，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时具有焊接操作简单、便于自动化焊接、焊接效率高等特点，搅拌摩擦焊已经在航天、航空、造船、列车、汽车、电力等多个工业制造领域得到广泛应用。虽然搅拌摩擦焊有诸多优点，然而搅拌摩擦焊接头仍存在残余应力，使接头耐应力腐蚀性能降低，同时接头表层孔洞的产生也会降低接头力学性能。同时搅拌摩擦焊对材料要求较高，焊接性较差，难以焊接高强钢以及钛合金，所得到的接头塑性较低，容易产生焊接裂纹。在金属塑性变形时，如果在材料变形方向辅助以电流，电流会对运动的位错施加电子风力作用，从而促进位错的运动及促进材料塑性变形，这个现象称为电塑性现象。电致塑性主要应用于超塑性领域，国外已有相关研究表明，电致塑性效应可有效降低变形工件残余应力，减少孔洞缺陷，同时亦可细化晶粒，提高材料塑性与强度。同时电流密度存在临界值，约为10⁶A/m²，只有超过临界值，电子风力才可以有效推动位错运动。

发明内容

本发明的目的是为解决现有搅拌摩擦焊接头存在残余应力，孔洞缺陷，焊接性较差的问题，提供一种电磁塑性搅拌摩擦焊焊具及其方法。

电磁塑性搅拌摩擦焊焊具包括夹持体、搅拌体、强磁铁和2～8个条形磁铁，所述夹持体由上圆柱体和下圆柱体组成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体与下圆柱体上、下同轴设置且制成一体，上圆柱体的外表面上设有焊具夹持面，下圆柱体的外表面上设有至少一个环形隔热槽，所述下圆柱体的下端面轴心处设有夹持孔，夹持孔对应的下圆柱体侧壁上设有垂直于下圆柱体轴线的螺纹通孔，搅拌体由搅拌针、搅拌针座、条形磁铁座和连接体组成，连接体、条形磁铁座、搅拌针座和搅拌针由上至下依次同轴设置且制成一体，连接体的直径小于条形磁铁座的直径，搅拌针和搅拌针座均为锥形体，且锥形体的小直径端朝下，连接体的外表面上对称设有搅拌针夹持面，连接体的上端面的轴心处设有强磁铁槽，条形磁铁座的外表面上沿同一圆周均布设有2～8个条形磁铁槽，强磁铁设置在强磁铁槽中，2～8个条形磁铁分别设置在2～8个条形磁铁槽中，连接体设置在夹持孔中，且搅拌针夹持面与螺纹通孔正对，连接体与夹持孔之间设有缝隙。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、安装焊具：将绝缘纸包裹在连接体上，将连接体装入夹持孔中，将强磁铁安装在强磁铁槽中，条形磁铁分别设置在条形磁铁槽内；

步骤二、施加电流：被焊工件对接处的两端端面处各贴有一个导电片，将外加电源的正负极分别接在两端的导电片上，电流方向应与搅拌摩擦焊接方向一致；

步骤三、电流大小确定：所选定电流大小需使通过工件的电流密度大于电致塑性的临界值10⁶A/m²，同时将工件电阻热功率控制在100W以下，

设被焊工件长lm、宽am、厚bm，则电流最小值为10⁶abA，

设工件电阻率为ρ，电流占空比为k，根据公式R＝ρl/ab算得工件电阻，则工件电阻热功率P＝kI²R，电流最大值不得使工件电阻热功率大于100W，则电流最大值为(100ab/lρk)^1/2；

步骤四、选取搅拌头转速与焊速：当电流取上限时，搅拌头转速为300rmp～1200rmp、焊速为0.3m/min～1.6m/min，当电流为下限时，搅拌头转速为600rmp～1500rmp、焊速为0.1m/min～0.8m/min。