[发明专利]一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置

说明书

本发明公开了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置，它解决了现有技术中钢铁、镍基合金、钛合金等高熔点材料搅拌摩擦焊接成本高、搅拌头寿命低的问题，使待焊区域达到半固态或超塑性状态，可大幅度降低高熔点材料的流变抗力、降低焊接力矩、降低对搅拌头性能的要求，进而降低搅拌头磨损、提高搅拌针寿命。其技术方案为：一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，包括用于焊接的搅拌头，搅拌头旋转插入工件对接或搭接焊缝中且搅拌头可移动；用于向工件提供热量在工件表面形成附加热源加热区域的附加热源部件，附加热源部件设于搅拌头的前方，且距离搅拌头设定距离；气体保护装置，气体保护装置位于附加热源加热区域侧上方和/或搅拌头前方。

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别是涉及一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute)于1991年发明的一种固相焊焊接技术。与传统熔焊相比，搅拌摩擦焊接具有接头缺陷少、质量高、变形小，以及焊接过程绿色、无污染等显著优点，在航空、航天、船舶、核工业、兵器工业、交通运输等工业制造领域具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个柱状或者带有螺纹等其他形状的搅拌针伸入工件的待焊部位，通过搅拌针的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦产热，进而使连接部位的材料升温达到高温塑性状态。在焊接过程中，旋转搅拌头(主要为轴肩)与工件表面摩擦产热，使搅拌头前进侧的材料发生强塑性变形，随着搅拌头的移动，高温塑性变形的材料产生塑性流动，流向搅拌头后方空腔，在轴间压力下形成完整焊缝。

搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，主要用于焊接低熔点的材料，比如铝合金、镁合金等。它的出现使铝合金等有色金属的连接发生重大变革，使用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的工程应用。在工业化生产应用中，对低熔点合金材料搅拌摩擦焊工艺的研究，已经很成熟。但对于钢铁、钛合金、镍基合金等高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术研究仍有很多问题亟待解决，主要问题在于搅拌头高温强度的限制，使得搅拌头寿命低、焊接成本很高。

因此，为了进一步发展搅拌摩擦焊接工艺在钢铁、钛合金、镍基合金等高熔点材料中的应用，采取有效措施提高搅拌头的使用寿命，是降低焊接成本的有效途径之一。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，该焊接装置通过附加热源对工件加热，熔化冷却至半固态或超塑性状态，或者直接加热工件待焊部位达到半固态或超塑性状态，然后对半固态和超塑性状态的高熔点材料进行搅拌摩擦焊接，可在很大程度上降低高熔点材料的流变抗力，降低搅拌头承受的焊接力矩、减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命、降低焊接成本。

具体方案如下：

一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，包括：

用于焊接的搅拌头，搅拌头旋转插入工件对接或搭接焊缝中且搅拌头可移动；

用于向工件提供热量在工件表面形成附加热源加热区域的附加热源部件，附加热源部件设于搅拌头的前方，且距离搅拌头设定距离，附加热源部件与工件上表面的夹角为α，30°≤α≤90°；

气体保护装置，气体保护装置位于附加热源加热区域侧上方和/或搅拌头前方，用于对焊接区域通入保护气体。附加热源部件与搅拌头存在设定距离，能够使高熔点材料的工件熔化，然后冷却至半固态或超塑性状态或者直接加热至半固态或超塑性状态。

上述装置中所述附加热源输出装置通过刚性连接件与所述的搅拌头连接，连接件可以是钢性连接杆，保持设定角度但是同步移动，通过附加热源辅助加热待焊工件，使待焊区域达到半固态或者超塑性状态或者直接加热至半固态或超塑性状态，可在很大程度上降低高熔点材料的流变抗力，降低搅拌头承受的焊接力矩、减轻搅拌头磨损，进而提高搅拌针寿命、降低焊接成本。