[发明专利]一种激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法

说明书

一种激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法，采用空心主轴连接搅拌工具进行焊接，主要包括同轴热至辅助激光束、双轴肩搅拌摩擦焊工具、焊接母材，所述搅拌摩擦焊工具至少包括搅拌针、上轴肩、下轴肩、中空内腔、激光加热小孔；焊接时，所述搅拌工具旋转并进入母材沿焊缝向前移动，母材处于上轴肩和下轴肩之间，采用同轴激光束打入中空内腔的激光加热小孔对搅拌工具进行加热，搅拌针通过吸收激光能量，并通过热传导将能量传递至焊接材料，在搅拌工具机械搅拌和热作用的综合影响下，使金属达到塑性状态，搅拌工具移动并顶锻，实现焊接。本发明焊接方法采用无倾角焊接技术，通过调节激光头的离焦量，调整光斑，进而调节搅拌焊的热辅助作用大小。

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法。

背景技术

作为一种固相连接方法，搅拌摩擦焊具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小、焊接质量稳定、接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁、铜合金、铝基复合材料、以及传统熔化焊难以焊接的有色金属材料，甚至可适用于异种金属的焊接。

针对厚板焊接单轴肩搅拌摩擦焊温度梯度大，焊缝区组织形态与性能差异比较大；焊缝根部焊接效果不佳，易存在未焊透及弱结合等缺陷。目前工业生产中往往采用单轴肩双面焊接方法，然而双面焊接耗费时间成本大大增加，严重限制了搅拌摩擦焊技术生产效率。双轴肩技术搅拌工具具有上下两个轴肩，两个轴肩通过同一搅拌针连在一起，焊接过程中借助搅拌工具的自持效应完成对材料的连接，与单轴肩搅拌摩擦焊技术相比较，双轴肩搅拌摩擦焊技术是一种全焊透技术，大大提升了生产效率。双轴肩搅拌摩擦焊焊接工具焊接时承受较大的前进抗力，常常发生搅拌工具受力磨损严重、甚至折断的情况。同时，为增加焊接时材料的流动性，提高焊接质量，尤其是流动性差材料、对焊缝宽度要求严格场合等的搅拌摩擦焊时必须提高局部热输入，使周围材料进入塑性状态，当采用提高主轴转速来提高热输入时，将对设备主轴动平衡非常不利，导致搅拌焊接过程稳定性难以保证，而且电主轴的转速和承受最大载荷参数相互限制，增加了电主轴载荷设计和参数选择难度。

辅助热源搅拌摩擦焊技术是通过将其它热源与搅拌摩擦焊热源的集成，为焊接过程补充额外的热量输入，以期达到改善焊接材料的流动性，促进焊缝成形，改善焊接质量等目的。辅助热源搅拌摩擦焊在有效改善材料流动性、消除接缺陷的同时，能够显著降低焊接力，提高搅拌工具寿命。相比于旁轴方式，同轴辅助热源方式提高了耦合程度，热量控制更为精确，热输入利用效率高；辅助热源能量直接参与到焊缝成形中，更有效促进搅拌区域材料流动及塑性成形，有利于焊接缺陷的消除；热量同轴输入并传递至焊接材料，减少了常规FSW对设备的高刚性、高负载要求，增加了搅拌摩擦焊对材料和结构的适应性，工艺柔性大大提高。选择激光作为辅助热源，具有适用材料范围广、热效率高等优点，激光能量密度高、热量集中；光斑直径大小可控，加热区域及范围可精确控制；采用光纤传输，具备高度柔性和灵活性，易于操作。

综上所述，双轴肩搅拌摩擦焊过程中利用激光能量作为同轴辅助热源加热搅拌工具，通过搅拌工具热传导间接加热工件，可弥补搅拌摩擦焊产热不足，减小轴肩尺寸，降低焊接所需的力，提高焊接速度。同时采用同轴方式可直接加热到针部，控制了加热的区域，缩小了焊接的热影响区。激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法为有色金属高质量全焊透焊接提供了一种可行的技术方案。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种激光同轴热至辅助双轴肩搅拌摩擦焊方法，采用空心主轴连接搅拌工具进行焊接，主要包括同轴热至辅助激光束、双轴肩搅拌摩擦焊工具、焊接母材，所述搅拌摩擦焊工具至少包括搅拌针、上轴肩、下轴肩、中空内腔、激光加热小孔。焊接时，所述搅拌工具旋转并进入母材沿焊接方向向前移动，母材处于上轴肩和下轴肩之间，采用同轴激光束打入中空内腔的激光加热小孔对搅拌工具进行加热，搅拌针通过吸收激光能量，并通过热传导将能量传递至焊接材料，在搅拌工具机械搅拌和热作用的综合影响下，使金属达到塑性状态，搅拌工具移动并顶锻，实现焊接。