[发明专利]一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明提供了一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，在待焊母材上开一个U型坡口，静止轴肩固定于主轴基体上，搅拌针由与待焊母材相同的材料组成，搅拌针端部加工成与U型坡口截面尺寸略小的形状，当搅拌针与待焊母材接触时摩擦产热，同时搅拌工具沿焊缝方向不断前进，在搅拌工具静止轴肩前沿设计与母材坡口形状相匹配的约束型腔，以约束流动的焊缝材料不能从轴肩前端冒出。本发明可同轴添加焊接材料、增强接头强度，同时复合采用静止轴肩技术，解决了传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头材料减薄、不等厚接头、角接接头焊接难度大的问题。

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊领域。

背景技术

近年来，搅拌摩擦焊技术作为一种固相连接技术在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通领域得到了广泛的推广应用。为铝、镁、铜等有色金属的焊接提供了一种行之有效的解决方案。

传统的搅拌摩擦焊技术多是不添加材料进行焊接，焊缝材料来自待焊母材，由于内部微缺陷、焊接飞边、焊缝局部减薄等影响，对焊缝局部的强度存在一定程度的减弱。英国焊接研究所在传统搅拌摩擦焊基础上将轴肩与搅拌针分离，提出静止轴肩搅拌摩擦焊技术，焊接过程中，首先将旋转的搅拌针插入待焊母材，并使静止轴肩与待焊母材表面紧密接触，旋转的搅拌针对待焊母材进行摩擦并搅拌，在界面处产生大量热量，在摩擦热下搅拌针周围的待焊母材呈塑性状态，然后，搅拌工具沿焊接方向移动且静止轴肩仅在母材表面滑动，而不存在压入量，由于受到静止轴肩、搅拌针两侧未发生塑性变形材料以及底板的约束，位于搅拌针前方的材料从搅拌针外侧向后方流动形成焊缝。焊缝材料在焊接过程中发生了剧烈的塑性变形，在焊接热量作用下发生再结晶形成均匀细小的等轴晶，即焊核区；搅拌针两侧的材料由于受到焊缝中粘塑性材料流动的影响，发生轻微变形，即热力影响区；而焊接过程中产生的热量沿焊接试板向周围传递形成热影响区。该技术适用于对接、角接及T型接头的焊接。

静止轴肩搅拌摩擦焊时，可以采用预置填丝或者送进填丝的方法在焊接轴肩前端将材料添加进去，并强制成型以保证焊接接头处的圆滑过渡。该方法采用侧向送丝，通过搅拌针旋转将材料搅入，一般添加丝材较细，需要额外设计填丝装置，焊接主轴机头处装备集成度较差。对形状复杂的焊缝，增加了焊接轨迹规划和机头运动控制的难度。

因此，开发一种新型的开坡口同轴添加材料的搅拌摩擦焊方法，具有重要的意义，本发明还同时复合采用了静止轴肩设计，解决了传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头飞边、焊缝局部减薄、存在应力集中等问题，为不等厚对接接头、角接、T型接头等难度大的异型接头提供一种理想的解决方案，拓宽了搅拌摩擦焊方法的适用范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统搅拌摩擦焊接过程中，不能同轴添加焊接材料、接头飞边、焊缝局部减薄、存在应力集中等问题，提出一种开坡口同轴添加材料的静止轴肩搅拌摩擦焊方法，待焊母材(10)上开设一个U型坡口(12)置于在搅拌工具下方；所述搅拌工具包括搅拌针(6)和静止轴肩(8)，所述静止轴肩(8)固定于主轴基体(5)上，所述搅拌针(6)端部截面小于所述U型坡口(12)截面；所述搅拌针(6)在高速旋转的同时被施加轴向力并保持向下进给，当所述搅拌针(6)在所述待焊母材(10)上高速旋转摩擦产热，同时所述搅拌工具沿焊缝方向前进，所述静止轴肩(8)后沿设置有圆角过渡的强制成型槽(13)，维持待焊母材(10)的角接焊缝处拥有与强制成型槽(13)形状相同的圆滑过渡外轮廓；在所述静止轴肩(8)的顶锻压力下，待焊母材(10)从强制成型槽(13)释放出来，在所述静止轴肩(8)前沿设置有与所述U型坡口(12)形状相匹配的约束型腔的约束下形成焊缝。

优选的，待焊母材(10)可采用铝、铜、镁合金或铝基复合材料。

优选的，搅拌针(6)与所述待焊母材(10)为异种材料。

优选的，在所述搅拌工具外部施加压缩空气和水雾冷却的方法进行冷却。