[发明专利]一种新型线性摩擦焊接方法及工具

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体是涉及一种适用于同种或异种热塑性材料的连接，尤其适用于平面或空间曲线焊缝的热塑性材料连接的新型线性摩擦焊接方法及工具。

背景技术

摩擦焊接是20世纪发明的焊接方法，属于固相连接技术，包括线性摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊，其中搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute）发明。线性摩擦焊是将两种待焊件直接接触，在辅助设备连续驱动作用下使焊接处材料在摩擦热作用下实现热塑性材料的固相连接。搅拌摩擦焊是使用搅拌头作为摩擦介质，在焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头插入待焊接区域，利用搅拌头与工件之间的摩擦和剧烈塑性变形产生的热量，使搅拌区域内的待焊材料处于热塑性状态并使其趋于熔化，当搅拌针完全扎入工件并且轴肩接触到工件表面时，搅拌头停止轴向运动并开始沿着焊缝方向移动，在搅拌针和轴肩对待焊材料的摩擦、搅拌和锻压作用下形成固相链接的接头，搅拌头的主要结构包括夹持柄（搅拌头与动力系统的连接部分）、轴肩和搅拌针。目前世界主要发达国家都在从事摩擦焊接领域的研发工作，该技术尤其适用于航天航空、船舶、轨道交通、汽车等领域。由于摩擦焊是在低于材料的熔化温度下实现连接，待焊材料并未达到熔化状态，因此焊后焊缝收缩变形小、力学性能损失低，在低熔点合金，尤其是铝合金焊接过程中具有突出的优点。

线性摩擦焊和搅拌摩擦焊已应用于工业生产中，但也存在一些问题。线性摩擦焊在焊接过程中需要将摩擦界面热塑性材料不断被挤出才能实现焊接，这就需要对焊件接头处进行再加工。此外，线性摩擦焊是对焊件施加运动，使摩擦界面产生热塑化金属以实现固相连接，因此只适用于较小工件的焊接，不适合大焊件、长焊缝的焊接。

搅拌摩擦焊是通过搅拌工具使焊接区材料达到热塑性状态，焊接过程中需要将搅拌头与焊缝保持1～3°的夹角，在平面二维或空间曲线焊接时需要调整搅拌头的倾斜方向才能实现焊接，对设备的要求较高。并且由于焊接倾角和搅拌头具有一定的压入量，焊后焊缝出现一定的减薄量，这容易导致焊接接头强度低于实际值。其次，受搅拌头轴肩的影响，搅拌摩擦焊不适合不等厚材料的焊接。此外，由于轴肩旋转产生的热量较大，焊后工件仍有一定的变形量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单、使用安全可靠，可实现无倾角和无飞边摩擦焊，方便实现平面或空间曲线的焊接，大幅提高焊接效率的新型线性摩擦焊接方法及工具。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的新型线性摩擦焊接方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一：将焊接工具通过其夹持柄连接在焊接设备的动力装置上；

步骤二：将待焊工件安装固定在夹具上，并将焊接工具的摩擦杆置于待焊工件的待焊处；

步骤三：启动焊接设备，焊接设备的动力装置使焊接工具沿焊接方向移动的同时作上下振动，通过焊接工具上摩擦杆的上下振动以及沿焊接方向的进给速度而与待焊工件摩擦产生热量，使待焊工件位于摩擦区域内达到塑化状态，且塑化后的材料由摩擦杆的前进方向向后移动，同时在焊接工具的上肩部和下肩部的上下振动过程中实现对焊缝塑化材料的锻压，并在夹具侧向压力的作用下实现塑化后的材料的融合，最终实现待焊工件的固相连接。

其中，所述摩擦杆的长度等于振幅与待焊工件的厚度之和。

所述摩擦杆既可以与待焊工件的待焊处的切线垂直以实现无倾角焊接，也可以与待焊工件的待焊处的切线保持一定的倾角。而且，当采用无倾角焊接平面二维焊缝时，在焊缝转弯处不需要调整摩擦杆的角度；当采用无倾角焊接空间曲线焊缝时，只需将摩擦杆与待焊处的法线方向保持平行即可。

当待焊工件为不等厚或厚度变化不均匀的焊件时，既可以将焊接工具的上肩部和下肩部设置有一定的倾角，也可以将焊接工具的上肩部和下肩部设计成相应结构以适应待焊工件的厚度变化。

所述待焊工件的材料既可以是同质，也可以是异质。

本发明所述的新型线性摩擦焊接工具，包括焊接工具本体，其特点是：所述焊接工具本体包括夹持柄、上肩部、摩擦杆和下肩部，其中所述摩擦杆固定连接在上肩部与下肩部之间，所述夹持柄的下端固定连接在上肩部的顶面上，所述焊接工具本体通过夹持柄与焊接设备的动力装置连接并在焊接设备的动力装置的带动下沿焊接方向移动的同时作上下振动。

其中，所述摩擦杆的横截面形状为圆形、方形、椭圆形或流线形。

所述摩擦杆的摩擦面上设置有流线形沟槽。