[发明专利]一种超声搅拌摩擦焊复合焊接系统

说明书

本发明提供一种超声搅拌摩擦焊复合焊接系统，其特征在于，包括至少一个前级超声变幅杆，所述前级超声变幅杆的前端至少固定一个超声波换能器；一个后级超声变幅杆，其前端与所有所述前级超声变幅杆的后端固定连接；搅拌头，与所述后级超声变幅杆的后端固定连接；所述前级超声变幅杆为高次多项式型二分之一波长超声变幅杆，其放大倍数为大放大倍数；所述后级超声变幅杆为二分之一波长超声变幅杆，其放大倍数为小放大倍数。该系统利用大功率多振子超声振动系统来增加系统的驱动功率，提高焊接中的超声能量密度，提高焊接效率，此大功率超声振动系统，通过设计多级变幅杆来达到既能增大超声振幅又增强系统的抗负载能力的效果。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体而言是一种可有效增大振幅和提高抗负载能力的超声搅拌摩擦复合焊接系统，尤其涉及一种超声搅拌摩擦焊复合焊接系统。

背景技术

为解决传统惰性气体保护焊等熔化焊易产生气孔、热裂纹、接头软化等问题，英国焊接研究所在1991发明了一种新的固相连接技术——搅拌摩擦焊。搅拌摩擦焊焊接时利用旋转的搅拌头与被焊工件之间产生的摩擦热将铝合金加热到塑性状态，通过材料的塑性流动实现焊接，由于焊接温度较低，克服了TIG和MIG焊接的缺点，为铝合金的连接提供了新型焊接方式。但搅拌摩擦焊所需的压力和搅拌扭矩均非常大，导致搅拌头易磨损甚至断裂，焊接效率低，搅拌产生的位错使接头处易产生残余应力和变形。为了解决上述问题，研究人员通过加入超声振动辅助搅拌的方法，利用超声辅助搅拌摩擦焊提高了焊接效率，细化了焊缝区域的晶粒，提高了接头的力学性能，并降低了位错能，减小残余应力及焊接变形。

为了得到高质量焊缝，强化接头力学性能，专利“一种焊前焊后双重超声振动辅助搅拌摩擦焊接方法(CN103894721A)”公开了一种在搅拌头前后各放置一个超声振动系统用于辅助搅拌摩擦焊接，搅拌头前侧的超声振动用于软化材料，后侧的超声振动用于细化焊缝晶粒，提高焊接接头力学性能，这种超声辅助方式由于超声无法直接作用于搅拌区域，对搅拌摩擦焊接过程的辅助效果有限，同时该专利公开的超声振动系统均采用了单一超声波换能器驱动二分之一波长阶梯型超声变幅杆，通过单级超声变幅杆将超声振动施加在工件上。专利“一种超声搅拌焊接方法及其装置(CN1836820A)”公开了一种将超声振动直接作用在搅拌针或搅拌头上，用于辅助搅拌摩擦焊接。

焊接装置采用单个超声波换能器将超声能量传递到四分之一波长圆锥圆柱型超声变幅杆上，并将放大后的超声振幅传递到工件上。以上专利均采用单个超声波换能器来提供超声能量，并通过一级超声变幅杆进行放大，这种设计在焊接装置自由运转下可以获得一个较高的超声能量，但是在大负载工况下，焊接区域实际有效超声振幅较小，输出的超声能量密度低，无法得到高质量的焊缝。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种超声搅拌摩擦焊复合焊接系统。该系统利用大功率多振子超声振动系统来增加系统的驱动功率，提高焊接中的超声能量密度，提高焊接效率，此大功率超声振动系统，通过设计多级变幅杆来达到既能增大超声振幅又增强系统的抗负载能力的效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种超声搅拌摩擦焊复合焊接系统，包括：

至少一个前级超声变幅杆，所述前级超声变幅杆的前端至少固定一个超声波换能器；

一个后级超声变幅杆，其前端与所有所述前级超声变幅杆的后端固定连接；以及

搅拌头，与所述后级超声变幅杆的后端固定连接；

所述前级超声变幅杆为高次多项式型二分之一波长超声变幅杆，且所述前级超声变幅杆的放大倍数为5倍以上；所述前级超声变幅杆的半径r与长度x的函数为高次多项式，且所述高次多项式为五次以上；

如：

所述半径r与长度x的函数如下：