專利名稱：在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭磨損的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及攪拌摩擦焊接方法，具體涉及鎢基合金攪拌頭磨損的方法。
技術(shù)背景攪拌摩擦焊的基本原理如專利PCT/GB92/02203所述，在焊接過程中，利 用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化，當(dāng)攪拌頭 沿著悍接界面移動時，塑化材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由攪拌頭的前 部移向后部，并在攪辟頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。從發(fā)明至今，攪拌 摩擦焊技術(shù)已成功應(yīng)用于鋁、鎂等低熔點材料的焊接并取得了良好的效果。 為擴大該技術(shù)的應(yīng)用范圍，近年來正在開展諸如鋼、鈦等高熔點材料的攪拌 摩擦焊接研究，所遇到的主要挑戰(zhàn)就是攪拌頭磨損嚴重，使得焊接過程不能 順利完成或影響焊接質(zhì)量。為解決這個問題，人們已將攪拌頭的制作材料作 為突破點，并且認為鎢基合金是一種高熔點材料攪拌摩擦焊用攪拌頭的合適 制作材料。然而，正如T. J. LIENERT等人于2003年1月在《WELDING JOURNAL》 上發(fā)表文章所指出的那樣，雖然是采用鎢基合金制作的攪拌頭，但對中碳鋼 等高熔點材料進行攪拌摩擦焊時，同樣存在鎢基合金攪拌頭磨損嚴重的問題， 而且這種磨損主要表現(xiàn)在鎢基合金攪拌頭在扎入階段，而不是穩(wěn)態(tài)焊接階段。 這是因為，鎢基合金攪拌頭和被焊材料之間的摩擦在扎入階段屬于"冷態(tài)"摩擦，被焊接材料處于硬態(tài)而導(dǎo)致鎢基合金攪拌頭出現(xiàn)較為嚴重的磨損；而在穩(wěn)態(tài)焊接階段，被焊接材料已被充分加熱而軟化，鴇基合金攪拌頭和被焊 接材料之間的摩擦屬于"熱態(tài)"摩擦，由于被焊接材料處于軟態(tài)而使鉤基合 金攪拌頭的磨損小?！?發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有攪拌頭在扎入被焊材料時摩擦階段屬于"冷態(tài)" 摩擦，被焊接材料處于硬態(tài)而導(dǎo)致攪拌頭出現(xiàn)嚴重磨損，使得焊接過程不能 順利完成的問題或影響焊接質(zhì)量，提供了一種在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭磨損的方法，解決上述問題的具體技術(shù)方案如下本發(fā)明攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭磨損的方法的步驟如下步驟一、根據(jù)被焊接材料(被焊材料為不銹鋼、碳鋼、鈦合金或鎳合金 高熔點材料)的厚度和攪拌頭的尺寸，在兩個被焊接材料的焊接起始位置對 接處的上表面上設(shè)有兩個對稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個 圓柱形盲孔，盲孔的直徑為攪拌頭針根部直徑的l. 1 1.2倍，盲孔的深度為 被焊接材料厚度的0. 7 0. 8倍；步驟二、將攪拌頭針部對準(zhǔn)圓柱形盲孔的孔心處，攪拌頭以300 800rpm (轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并以0.2 1.0mm/min (毫米/分鐘)的速度向下方的 盲孔內(nèi)運動；步驟三、當(dāng)攪拌頭針部接觸圓柱形孔的底部時，針端部開始與被焊接材 料摩擦而產(chǎn)生熱量，為后續(xù)焊接提供材料軟化所需的部分熱量，當(dāng)攪拌頭的 肩部與被焊接材料的上表面接觸后，經(jīng)過30 60秒的表面摩擦，使被焊接材 料充分軟化，攪拌頭開始以30 100mm/min (毫米/分鐘)的速度向左運動實 施焊接，當(dāng)攪拌頭運動到被焊接材料的左端焊接完成。本發(fā)明在兩個被焊接材料的焊接起始位置對接處的上表面上開設(shè)兩個對 稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個圓柱形盲孔，使鉤基合金攪 拌頭針部在扎入過程中與被焊接材料之間發(fā)生"冷態(tài)"摩擦的作用時間大大 減少，因而有效減小了鎢基合金攪拌頭的磨損，采用該方法后，焊接2m高熔 點材料后攪拌頭尺寸變化很小，而未開孔攪拌頭在焊接扎入階段即出現(xiàn)較為 嚴重磨損。而且本發(fā)明工藝簡便，易于實現(xiàn)，提高了鎢基合金攪拌頭的使用 壽命，焊接過程能順利完成和焊接質(zhì)量好。


圖1是本發(fā)明方法實施的示意圖。圖中1是攪拌頭，1-1是攪拌頭針部， l-2是攪拌頭肩部，2是被焊接材料，2-1是在被焊接材料上開設(shè)的圓柱形盲 孔。
具體實施方式
具體實施方式
一:結(jié)合圖1描述本實施方式。本實施方式方法的步驟如下 步驟一、根據(jù)被焊接材料(被焊材料為不銹鋼、碳鋼、鈦合金或鎳合金高熔點材料)的厚度和攪拌頭(攪拌頭為鎢基合金材料)的尺寸，在兩個被 焊材料的焊接起始位置對接處的上表面上開有兩個對稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個圓柱形盲孔2-1，盲孔2-1的直徑為攪拌頭針根部直 徑的1. 1 1. 2倍，盲孔2-1的深度為被焊接材料厚度的0. 7 0. 8倍；步驟二、將攪拌頭針部對準(zhǔn)圓柱形盲孔2-1的孔心處，鎢基合金攪拌頭 以300 800rpm (轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并以0.2 1.0mm/min (毫米/分鐘) 的速度向下方的盲孔內(nèi)運動；步驟三、當(dāng)攪拌頭針部接觸圓柱形盲孔2-1的底部時，針端部開始與被 焊材料產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生熱量，為后續(xù)焊接提供材料軟化所需的部分熱量，當(dāng) 攪拌頭的肩部與被焊材料的上表面接觸后，經(jīng)過30 60秒的表面摩擦，摩擦 產(chǎn)生的熱量使局部溫度達到900 120(TC，使被焊接材料充分軟化，攪拌頭開 始以30 100mm/min (毫米/分鐘)的速度向左運動實施焊接，當(dāng)攪拌頭運動 到被焊接材料的左端焊接完成。
具體實施方式
二本實施方式步驟一中采用2mm厚的TC4鈦合金材料進 行攪拌摩擦焊，用W-Re合金作攪拌頭，其肩部直徑為10mm，針根部直徑為 4. 6跳針部長度為1. 8腿,盲孔2-1的直徑為5. 5ram，盲孔2-1的深度為1. 4mm; 步驟二中的攪拌頭以400rpm (轉(zhuǎn)'/分鐘)的轉(zhuǎn)速并以0. 5mm/min (毫米/分鐘) 的速度向下方的盲孔2-1內(nèi)運動；步驟三中的焊接速度為50mm/min (毫米/ 分鐘)。其它步驟與具體實施方式
一相同。在具體實施方式
二的焊接工藝條件 下，焊縫成形好，攪拌頭尺寸變化很小，亦即攪拌頭磨損很小。
具體實施方式
三本實施方式步驟一中采用2. 5ram厚的S304不銹鋼材料 進行攪拌摩擦焊，用W-Re合金作攪拌頭，其肩部直徑為llmm，針根部直徑為 5mm，針部長度為2. 3mm，盲孔2-1的直徑為6mm，盲孔2-1的深度為1. 8mm; 步驟二中的攪拌頭以600rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)的轉(zhuǎn)速，攪拌頭針部以0. 5ram/min (毫 米/分鐘)的速度向圓柱形盲孔2-l內(nèi)運動；步驟三中的焊接速度為80mm/min (毫米/分鐘)。其它步驟與具體實施方式
一相同。在本具體實施方式
三的焊 接工藝條件下，焊縫成形好，攪拌頭尺寸變化極小，而攪拌頭幾乎未產(chǎn)生磨 損。
權(quán)利要求
1、在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭磨損的方法，其特征在于該方法的步驟如下步驟一、根據(jù)被焊材料的厚度和攪拌頭的尺寸，在兩個被接焊材料(2)的焊接起始位置對接處的上表面上設(shè)有兩個對稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個圓柱形盲孔(2-1)，盲孔(2-1)的直徑為攪拌頭針根部直徑的1.1～1.2倍，盲孔(2-1)的深度為被焊接材料(2)厚度的0.7～0.8倍；步驟二、將攪拌頭針部對準(zhǔn)圓柱形盲孔(2-1)的孔心處，攪拌頭以300～800rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)并以0.2～1.0mm/min的速度向下方的盲孔(2-1)內(nèi)運動；步驟三、當(dāng)攪拌頭針部接觸圓柱形盲孔(2-1)的底部時，針端部開始與被焊接材料摩擦而產(chǎn)生熱量，為后續(xù)焊接提供材料軟化所需的部分熱量，當(dāng)攪拌頭的肩部與被焊材料的上表面接觸后，經(jīng)過30～60秒的表面摩擦，使被焊接材料充分軟化，攪拌頭開始以30～100mm/min的速度向左運動實施焊接，當(dāng)攪拌頭運動到被焊接材料的左端頭焊接完成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于攪拌頭材料為鎢基合金材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于步驟三中以焊接速度為60ram/min進行焊接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于驟二中的鉤基合金攪拌頭的轉(zhuǎn)速為300 800rpm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于被焊接材料(2)為不銹鋼、碳鋼、鈦合金或鎳合金 高熔點材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于步驟一中采用2mm厚的TC4鈦合金材料進行攪拌摩 擦焊，用W-Re合金作攪拌頭，其攪拌頭肩部直徑為lOmm，針根部直徑為4. 6mm， 針部長度為1. 8mm，盲孔(2-1)的直徑為5. 5mm，盲孔(2-1)的深度為1. 4ram; 步驟二中的攪拌頭以400rpm的轉(zhuǎn)速并以0. 5mm/min速度向下方的盲孔(2-1)內(nèi)運動；步驟三中的焊接速度為50mm/min。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭 磨損的方法，其特征在于步驟一中采用2. 5mm厚的S304不銹鋼材料進行攪拌 摩擦焊，用W-Re合金作攪拌頭，攪拌頭肩部直徑為llmm，針根部直徑為5mm， 針部長度為2.3mm，盲孔(2-1)的直徑為6mm，盲孔(2-1)的深度為1. 8mra; 步驟二中的攪拌頭以600rpm的轉(zhuǎn)速并以0. 5mm/min的速度向下方的圓柱形盲 孔(2-1)內(nèi)運動；步驟三中的焊接速度為80腿/min。
全文摘要
在攪拌摩擦焊接高熔點材料工藝中防止攪拌頭磨損的方法，它涉及攪拌摩擦焊的方法。它解決了現(xiàn)有攪拌頭在扎入被焊材料時摩擦階段“冷態(tài)”硬摩擦而導(dǎo)致攪拌頭出現(xiàn)嚴重磨損的問題。本發(fā)明的方法為一、在兩個被焊材料的焊接起始位置對接處的上平面上開設(shè)兩個對稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個圓柱形盲孔；二、將攪拌頭針部對準(zhǔn)圓柱形盲孔的孔心處，攪拌頭旋轉(zhuǎn)并向盲孔內(nèi)運動；三、攪拌頭開始向左端運動實施焊接，當(dāng)攪拌頭運動到被焊材料的左端焊接完成。本發(fā)明在兩個被焊接材料的焊接起始位置對接處的上表面上開設(shè)兩個對稱的半圓形側(cè)凹孔，兩個半圓形側(cè)凹孔合成一個圓柱形盲孔，因而有效減小了攪拌頭的磨損，工藝簡便，易于實現(xiàn)。
文檔編號B23K20/12GK101249584SQ200810064309
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者鵬 劉, 劉會杰, 利 周 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)