專利名稱：一種注入式攪拌摩擦焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種注入式攪拌摩擦焊接裝置，屬于攪拌摩擦焊接技術(shù)領(lǐng)域。適用金屬材料及其他可實現(xiàn)攪拌摩擦焊接的非金屬材料。
背景技術(shù)：
20多年以來，攪拌摩擦焊技術(shù)在大量的實驗和應(yīng)用過程中顯示出一系列獨特的優(yōu)點首先，焊接溫度低于材料熔點，避免或降低了融化-凝固過程中熱裂紋、氣孔、縮松以及應(yīng)力集中、元素燒損等現(xiàn)象的產(chǎn)生，無需填絲，不會出現(xiàn)熔焊過程中熔池金屬受到污染的現(xiàn)象，接頭性能較高；其次，技術(shù)原理簡單，就是將旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入被焊的工件，利用摩擦產(chǎn)熱和攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)所形成的塑性金屬流動形成接頭，對材料的適應(yīng)性強，可實現(xiàn)幾乎所有金屬材料，異種金屬材料以及一些非金屬材料的焊接；再次，焊接速度快、效率高，過程中無煙塵、飛濺，噪音低、污染小。攪拌摩擦焊被譽為“綠色焊接技術(shù)”，在航空、航天、船舶、汽車、電子等眾多領(lǐng)域都得到了大量應(yīng)用，而且應(yīng)用的深度和廣度呈現(xiàn)急速增長態(tài)勢，具有非常好的開發(fā)潛力和應(yīng)用前景。攪拌摩擦焊技術(shù)雖然優(yōu)點眾多，但并非完美其一，焊接過程中攪拌頭與焊縫豎直方向一般會保持1° 3°的夾角，目的是通過軸肩后沿的擠壓作用防止塑化金屬無序擠出，造成焊縫內(nèi)部材料不足而形成空洞。在焊接直縫時，保持固定夾角很容易做到，但是在焊接平面二維焊縫時，每到焊縫轉(zhuǎn)彎處就需要調(diào)整攪拌針傾斜方向，降低工作效率，如果調(diào)節(jié)不當或精度不高，還會出現(xiàn)焊接缺陷。其二，焊縫減薄，由于焊接傾角以及攪拌頭有一定的壓入量，焊后焊縫會比母材薄，薄板焊接時減薄量能達到O. I O. 3mm，這會導(dǎo)致強度測量值低于實際值。其三，如果攪拌頭形狀或焊接參數(shù)選擇不合理會導(dǎo)致焊縫內(nèi)部塑化金屬發(fā)生紊流，產(chǎn)生孔洞、隧道等缺陷。以上三方面是攪拌摩擦焊目前面臨的技術(shù)問題，不但影響焊接效率，而且在一定程度上限制了攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而設(shè)計提供了一種注入式攪拌摩擦焊接裝置，其目的是在攪拌摩擦焊接及攪拌摩擦點焊過程中，以擠壓注入的方式向焊縫或焊點內(nèi)部補充金屬材料，消除攪拌摩擦焊接過程中因攪拌頭形狀及焊接參數(shù)不合理引起的隧道、空洞等焊接缺陷，還可實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊，大幅提高焊接質(zhì)量和焊接效率。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的該種注入式攪拌摩擦焊接裝置，包括攪拌頭和攪拌針，其特征在于在攪拌頭和攪拌針的中心加工有一個上、下貫通的注入孔，通過一個壓力執(zhí)行裝置從注入孔上端向孔內(nèi)的焊接補償材料施加壓力，使焊接補償材料通過注入孔的下端注入焊縫。注入孔的孔徑從上端到下端收窄。攪拌針的中心處注入孔的擠出口設(shè)置在攪拌針的底部、側(cè)面或攪拌頭軸肩部位。攪拌頭和攪拌針是分體結(jié)構(gòu)，攪拌針通過螺紋與攪拌頭連接。攪拌摩擦焊接是金屬材料在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭的擠壓和摩擦作用下塑化、充分融合從而形成牢固連接的過程，因此，焊接過程中攪拌針周圍的金屬材料會發(fā)生劇烈的塑性變形，隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)，前方金屬被轉(zhuǎn)移到后側(cè)。如果攪拌頭尺寸或者焊接參數(shù)選擇不合理，就會形成塑化金屬紊流，導(dǎo)致某些部位的金屬被帶走而后續(xù)材料沒有及時補充，形成孔洞、隧道等缺陷，嚴重危害焊接質(zhì)量。本發(fā)明正是針對這一問題，在整個焊接過程中持續(xù)注入補充材料，增加焊縫內(nèi)塑化金屬的壓力，提供充足的金屬用以填充孔洞、隧道，形成致密焊縫。此外，向焊縫內(nèi)注入足量材料的情況下，就不必通過傾斜攪拌頭來用軸肩壓實焊縫，將攪拌頭與焊板平面法線的角度調(diào)整為0°，從而實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊接。采用無傾角攪拌摩擦焊技術(shù)焊接二維平面焊縫時，在焊縫轉(zhuǎn)彎處不需要調(diào)節(jié)攪拌頭角度，減少一道焊接工序，同時避免攪拌頭調(diào)節(jié)傾角過程形成的組織缺陷，不必在設(shè)備上設(shè)置傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)，降低焊接設(shè)備復(fù)雜性 。持續(xù)注入的金屬會帶走一部分熱量，能夠降低攪拌頭溫度，有助于形成高性能焊縫。此外，在焊接過程結(jié)束，攪拌針抽出的過程中繼續(xù)注入金屬填充匙孔，還可以實現(xiàn)無匙孔焊接，增加焊接結(jié)構(gòu)件的安全性。由于有補充材料，焊接過程對焊縫間隙的容忍度能夠大幅提聞。向焊縫內(nèi)補充的材料的結(jié)構(gòu)類似注射器的原理，利用帶有擠壓腔的中空式攪拌頭，焊接前將金屬棒料放入注入孔，孔內(nèi)腔體上寬下窄，材料擠出口在攪拌針上(也可以根據(jù)實際焊接需求設(shè)置于其他位置)，焊接過程中對腔內(nèi)材料施加擠壓力使之注入焊縫。隨著攪拌頭與母材接觸開始摩擦生熱，擠壓腔內(nèi)金屬溫度迅速升高，據(jù)相關(guān)文獻報道，鋁合金焊接過程中溫度可達400°C 500°C，此溫度區(qū)間內(nèi)鋁的變形抗力很低，因此，注入過程對擠壓動力的要求并不高，結(jié)構(gòu)也比較簡單，可以利用液壓裝置(或者電機驅(qū)動的壓下裝置等等)實現(xiàn)對注入材料的加壓。攪拌頭與攪拌針為帶腔的中空結(jié)構(gòu)，兩者可以是一體，也可以設(shè)計成分體形式。分體情況下攪拌針和攪拌頭軸肩通過螺紋實現(xiàn)連接，使用時將攪拌針旋入軸肩上的螺紋孔，組合成完整的攪拌頭進行注入式攪拌摩擦焊接。攪拌針與攪拌頭可以選用同種材質(zhì)，也可以選用不同材質(zhì)。向焊縫內(nèi)部注入的材料可以與母材相同，也可以是其他金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料或者纖維，這樣做可以起到增加焊縫強度、韌性的效果。


圖I為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 圖4為本發(fā)明裝置中三種攪拌頭與攪拌針的結(jié)構(gòu)及注入方式的示意圖
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和實施例對發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述參見附圖I 4所示，該種注入式攪拌摩擦焊接裝置，包括攪拌頭I和攪拌針2，其特征在于在攪拌頭I和攪拌針2的中心加工有一個上、下貫通的注入孔3，通過一個壓力執(zhí)行裝置4從注入孔3上端向孔內(nèi)的焊接補償材料施加壓力，使焊接補償材料通過注入孔3的下端注入焊縫。動力裝置5為攪拌頭提供旋轉(zhuǎn)動力、平面移動動力、升降動力以及焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)功能。注入孔3的孔徑從上端到下端收窄，攪拌頭I和攪拌針(2)可以是分體結(jié)構(gòu)，攪拌針2通過螺紋與攪拌頭I連接，攪拌針2的中心處注入孔3的擠出口設(shè)置在攪拌針2的底部、側(cè)面或攪拌頭I軸肩部位。
焊接過程中，攪 拌頭2與焊縫的角度為垂直狀態(tài)，攪拌頭2軸肩平面與母材板面同面，壓力執(zhí)行裝置4通過液壓或機械向下擠壓攪拌頭I和攪拌針2注入孔隙內(nèi)的材料，形成足夠高的擠壓力使材料從攪拌針2上的擠出口流出填充進焊縫。攪拌頭I的軸肩下部焊縫內(nèi)材料的壓力增加，不再需要采用傾斜攪拌頭的方式來依靠軸肩過量下壓焊縫以保證焊縫內(nèi)部的壓力，從而實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊，大幅提高平面二維焊縫的焊接效率。擠出口在攪拌針2的底部，注入的材料進入焊縫底部，降低根部缺陷的發(fā)生率，并將壓力傳導(dǎo)至其余部分，增加焊縫致密性。擠出口在攪拌針2的側(cè)面，注入的材料進入焊縫中部，減低焊縫中部缺陷，并將壓力傳導(dǎo)至其余部分。擠出口在攪拌頭I軸肩部位或同時在底，注入材料從攪拌頭I軸肩或不同部位同時進入焊縫，增加焊縫內(nèi)壓力，全方位消除因材料流動性不足引發(fā)的各類缺陷，還可以針對特定情況選擇其他部位注入。選擇注入材料時，可根據(jù)焊縫的力學性能要求，選擇與母材不同牌號的鋁合金或其他金屬注入焊縫，以改變焊縫的力學性能。還可以注入纖維增強相，增加焊縫強度和韌性，阻礙裂紋擴展，延長從裂紋萌生到材料斷裂的時間，增加焊接結(jié)構(gòu)件的安全性。在焊接過程即將結(jié)束，攪拌針2拔出過程中，讓攪拌頭I繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時調(diào)節(jié)攪拌針拔出速度和注入金屬的量，讓匙孔內(nèi)始終保持一定的壓力，直至攪拌針完全拔出，最終消除焊接匙孔，實現(xiàn)無匙孔攪拌摩擦焊接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明裝置該可以大幅降低焊縫中孔洞、隧道等缺陷的發(fā)生幾率，提升焊縫力學性能。適當調(diào)節(jié)注入量，還可以實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊，顯著提升焊接效率。
權(quán)利要求
1.一種注入式攪拌摩擦焊接裝置，包括攪拌頭(I)和攪拌針(2)，其特征在于在攪拌頭(I)和攪拌針(2)的中心加工有一個上、下貫通的注入孔(3)，通過一個壓力執(zhí)行裝置(4)從注入孔(3)上端向孔內(nèi)的焊接補償材料施加壓力，使焊接補償材料通過注入孔(3)的下端注入焊縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的注入式攪拌摩擦焊接裝置，其特征在于注入孔(3)的孔徑從上端到下端收窄。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的注入式攪拌摩擦焊接裝置，其特征在于攪拌針(2)的中心處注入孔(3)的擠出口設(shè)置在攪拌針(2)的底部、側(cè)面或攪拌頭(I)軸肩部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的注入式攪拌摩擦焊接裝置，其特征在于攪拌頭(I)和攪拌針(2)是分體結(jié)構(gòu)，攪拌針(2)通過螺紋與攪拌頭(I)連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種注入式攪拌摩擦焊接裝置，包括攪拌頭和攪拌針，其特征在于在攪拌頭和攪拌針的中心加工有一個上、下貫通的注入孔，通過一個壓力執(zhí)行裝置從注入孔上端向孔內(nèi)的焊接補償材料施加壓力，使焊接補償材料通過注入孔的下端注入焊縫。該裝置可以大幅降低焊縫中孔洞、隧道等缺陷的發(fā)生幾率，提升焊縫力學性能。適當調(diào)節(jié)注入量，還可以實現(xiàn)無傾角攪拌摩擦焊，顯著提升焊接效率。
文檔編號B23K20/12GK102615417SQ20121011689
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者孟強, 欒國紅, 董春林 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所