本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊接使用的裝置，尤其是一種能降低/消除攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的裝置，具體地說(shuō)是一種在攪拌摩擦焊中使用的墊板，通過(guò)該墊板的使用能夠降低/消除攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute, TWI）發(fā)明的（US 5460317）一種新型固相連接技術(shù)，該技術(shù)的原理是利用攪拌頭與材料的強(qiáng)烈摩擦和對(duì)軟化材料的攪拌作用，使焊縫連接區(qū)處于熱塑性狀態(tài)并使其趨于熔化、混合，隨著攪拌頭向前行進(jìn)，在攪拌頭的后方形成焊縫，完成固相連接。攪拌摩擦焊過(guò)程中，板材溫度分布不均勻?qū)е虏牧蠠嶙冃蔚漠a(chǎn)生；攪拌頭的機(jī)械作用導(dǎo)致板材塑性變形產(chǎn)生，所以在FSW 過(guò)程中板材內(nèi)存在很大的殘余應(yīng)力。板材殘余應(yīng)力的存在極大降低了接頭的抗疲勞性能和抗腐蝕性能。

為了降低接頭的殘余應(yīng)力，發(fā)明專利“攪拌摩擦焊接表面殘余應(yīng)力控制方法及裝置”（專利公開號(hào)：CN101774079B）涉及一種跟隨攪拌頭移動(dòng)的保溫箱，對(duì)處于焊接后的焊縫及母材進(jìn)行保溫，隨即進(jìn)入進(jìn)行隨爐冷卻，以此達(dá)到降低攪拌摩擦焊接表面的殘余應(yīng)力。然而，這種方法沒(méi)有減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，效率低下；由于受保溫箱的限制，該方法只適用于小型件和簡(jiǎn)單直線焊接的焊接，對(duì)大型件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件效果不明顯。

發(fā)明專利“一種攪拌摩擦焊裝置”（專利公開號(hào)：CN103433616B）涉及一種攪拌摩擦焊裝置，該裝置通過(guò)在工件焊縫上方設(shè)置深冷處理箱和低溫回火箱，通過(guò)冷熱循環(huán)處理降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高焊接件的尺寸穩(wěn)定性，并改善其機(jī)械性能。然而，此種方法僅僅是降低了焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力，對(duì)接頭內(nèi)其余應(yīng)力無(wú)效果，同時(shí)該方法過(guò)程、裝置都很復(fù)雜，極大的降低了焊接效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的針對(duì)現(xiàn)有的攪拌摩擦焊接技術(shù)普遍存在焊接應(yīng)力的問(wèn)題，發(fā)明一種能降低攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的方法，同時(shí)提供一種相應(yīng)的焊接墊板裝置。

本發(fā)明主要是采用在焊接板材底部增加一個(gè)附加線性點(diǎn)狀熱源，通過(guò)對(duì)線性點(diǎn)狀熱源不同時(shí)刻產(chǎn)熱量的控制，使該附加熱源在焊接過(guò)程中與攪拌頭產(chǎn)生的熱源保持一致，減少由于攪拌頭產(chǎn)生熱不均勻?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力產(chǎn)生。在已焊接區(qū)域保溫直至焊接過(guò)程完成，降低攪拌頭焊接區(qū)域與已焊接區(qū)域之間的溫度梯度，減少因?yàn)闊崽荻犬a(chǎn)生的殘余應(yīng)力。在焊接完成后，控制熱源的產(chǎn)熱量，使焊接板材保溫，達(dá)到消除接頭內(nèi)的機(jī)械殘余應(yīng)力的目的。從而減少/消除焊接接頭的殘余應(yīng)力。

本發(fā)明的技術(shù)方案之一是：

一種能降低攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的方法，其特征是在攪拌摩擦焊接用墊板上與焊縫相對(duì)位置處設(shè)置若干熱源點(diǎn)，該熱源點(diǎn)利用高頻感應(yīng)線圈加熱產(chǎn)生熱量，使熱源點(diǎn)產(chǎn)生的熱源與攪拌摩擦焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量相匹配，并使該熱量維持到整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束，降低攪拌頭焊接區(qū)域與已焊接區(qū)域之間的溫度梯度，在焊接完成后，控制熱源的產(chǎn)熱量，使焊接板材保溫，達(dá)到消除接頭內(nèi)的機(jī)械殘余應(yīng)力，減少、消除焊接接頭的殘余應(yīng)力。

所述的熱源點(diǎn)的熱量來(lái)源于高頻感應(yīng)線圈加熱鐵芯產(chǎn)生熱量的傳導(dǎo)，通過(guò)控制器控制所述的高頻感應(yīng)加熱器線圈把鐵芯從室溫(20℃)加熱到500℃所需時(shí)間為15s。

所述的墊板上開有與熱源點(diǎn)數(shù)量相同的槽，槽的一端為墊板邊緣，另一端為高頻感應(yīng)加熱器線圈大小相適應(yīng)的圓弧，圓弧中心位于熱源點(diǎn)正下方，在開槽時(shí)以圓弧中心為圓點(diǎn)保留直徑與線圈大小和板材厚度相適應(yīng)圓柱體作為加熱鐵芯使用；高頻感應(yīng)加熱器線圈安裝在槽內(nèi)，高頻感應(yīng)加熱器線圈的尺寸與加熱要求相關(guān)，高頻感應(yīng)加熱器線圈由通冷卻水的銅管繞制而成，高頻感應(yīng)加熱器線圈與控制箱連接； 在槽外側(cè)放置紅外測(cè)溫儀測(cè)量高頻感應(yīng)線圈加熱溫度，測(cè)溫點(diǎn)位于圓柱體距離墊板表面1-10mm處。

所述的墊板為鋼板、鈦合金板、鎢合金板或鉬合金板。

所述的熱源點(diǎn)的直徑大小由攪拌頭的大小決定，半徑范圍為0.1mm-100mm；熱源點(diǎn)的數(shù)量由需要焊接板材的長(zhǎng)度決定，范圍為1-100個(gè)；熱源點(diǎn)呈“一”字排開，兩個(gè)熱源點(diǎn)的間距范圍為5mm-500mm。

所述的高頻感應(yīng)加熱線圈的尺寸與加熱要求相關(guān)，直徑為25mm-100mm，通冷卻水的銅管的外徑為10mm-30mm，內(nèi)徑為5mm-15mm，高頻感應(yīng)加熱線圈與控制箱連接。

本發(fā)明的技術(shù)方案之二是：

一種能降低攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的裝置，它包括墊板1，其特征是所述的墊板1與焊縫相對(duì)位置處設(shè)有多個(gè)熱源點(diǎn)2，多個(gè)熱源點(diǎn)2呈一字排列；每個(gè)熱源點(diǎn)2由高頻感應(yīng)加熱線圈3加熱鐵芯而形成，高頻感應(yīng)加熱線圈3由控制器7控制其加熱功率和加熱時(shí)間；所述的鐵芯位于熱源點(diǎn)下部，由通冷卻水的銅管6形成的高頻感應(yīng)加熱線圈3纏繞在所述的鐵芯上，通冷卻水的銅管6的進(jìn)口段和出口段均位于槽4中，鐵芯由位于槽4一端的圓樁體5形成；在所述的槽4外安裝有紅外測(cè)溫儀8，紅外測(cè)溫儀8與控制器7電氣連接。

所述的槽4位于墊板1的底面上，它的一端與墊板邊緣貫通，另一端與熱源點(diǎn)2相對(duì)，作為鐵芯的圓柱體5位于槽的另一端并熱源點(diǎn)相對(duì)；所述的圓柱體與墊板整體相連或焊接相連；槽4用于高頻感應(yīng)加熱線圈3的布線。

所述的熱源點(diǎn)的直徑大小由攪拌頭的大小決定，半徑范圍為0.1mm-100mm；熱源點(diǎn)的數(shù)量由需要焊接板材的長(zhǎng)度決定，范圍為1-100個(gè)；兩個(gè)熱源點(diǎn)的間距范圍為5mm-500mm。

所述的高頻感應(yīng)加熱線圈的尺寸與加熱要求相關(guān)，直徑為25mm-100mm，通冷卻水的銅管的外徑為10mm-30mm，內(nèi)徑為5mm-15mm。

所述的紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫點(diǎn)位于圓柱體距離墊板表面1-10mm處。

本發(fā)明的有益效果：

使用本發(fā)明的攪拌摩擦焊接用墊板進(jìn)行攪拌摩擦焊接，能夠減小/消除焊接板材殘余應(yīng)力，提高板材焊接接頭性能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。同時(shí)，使用本發(fā)明裝置進(jìn)行攪拌摩擦焊接不要額外的裝置和工序進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力消除，降低了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明示意圖。

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例示意簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

實(shí)施例一。

如圖1所示。

一種能降低攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的方法，其關(guān)鍵是在攪拌摩擦焊接用墊板上與焊縫相對(duì)位置處設(shè)置若干熱源點(diǎn)，該熱源點(diǎn)利用高頻感應(yīng)線圈加熱產(chǎn)生熱量，使熱源點(diǎn)產(chǎn)生的熱源與攪拌摩擦焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量相匹配，并使該熱量維持到整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束，降低攪拌頭焊接區(qū)域與已焊接區(qū)域之間的溫度梯度，在焊接完成后，控制熱源的產(chǎn)熱量，使焊接板材保溫，達(dá)到消除接頭內(nèi)的機(jī)械殘余應(yīng)力，減少、消除焊接接頭的殘余應(yīng)力。詳述如下：

1、在鋼板1上沿長(zhǎng)度方向中心線上選擇熱源點(diǎn)2，熱源點(diǎn)2的大小由攪拌頭的大小決定，熱源點(diǎn)2的數(shù)量由需要焊接板材的長(zhǎng)度決定，熱源點(diǎn)呈“一”字排開，兩個(gè)熱源點(diǎn)的間距為5mm-500mm ，最佳為20mm-200mm；熱源點(diǎn)的熱量來(lái)源于高頻感應(yīng)線圈3加熱鐵芯（即圓柱體5）產(chǎn)生熱量的傳導(dǎo)，高頻感應(yīng)加熱線圈3把鐵芯從室溫(20℃)加熱到500℃所需時(shí)間為15s。

2、在墊板上開與熱源點(diǎn)數(shù)量相應(yīng)的槽4，槽4的一端為墊板邊緣，另一端為高頻感應(yīng)加熱線圈3大小相適應(yīng)的圓弧，圓弧中心位于熱源點(diǎn)2正下方，在開槽時(shí)以圓弧中心為圓點(diǎn)保留直徑與線圈大小和板材厚度相適應(yīng)圓柱體5作為加熱鐵芯使用。

3、將高頻感應(yīng)加熱線圈3安裝在槽體4內(nèi)，高頻感應(yīng)加熱器線圈3的尺寸與加熱要求相關(guān)，直徑為25mm-100mm，通冷卻水的銅管6的外徑為10mm-30mm，內(nèi)徑為5mm-15mm，高頻感應(yīng)加熱線圈3與控制箱7連接。

4、在槽孔外側(cè)放置紅外測(cè)溫儀8，測(cè)溫點(diǎn)9位于圓柱體5距離墊板表面1-10mm處。

實(shí)施例二。

如圖1-2所示。

一種在攪拌摩擦焊中使用的能夠降低/消除攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的裝置，它包括鋼制墊板1（也可為鈦合金板、鎢合金板、鉬合金板等金屬材料板材），如圖1所示，墊板1尺寸為800mm×400mm×30mm，在墊板1上沿長(zhǎng)度方向中心線上選擇5個(gè)圓形區(qū)域作為熱源點(diǎn)2，圓形區(qū)域直徑10mm，中間的熱源點(diǎn)2位于墊板表面的幾何中心，5個(gè)熱源點(diǎn)2呈“一”字排開，兩個(gè)熱源點(diǎn)2的間距為100mm（也可在5mm-500mm之間選擇）；熱源點(diǎn)2的熱量來(lái)源于高頻感應(yīng)線圈加熱圓柱體鐵芯5產(chǎn)生熱量的傳導(dǎo)，高頻感應(yīng)加熱線圈3把鐵芯5從室溫(20℃)加熱到500℃所需時(shí)間為15s；高頻感應(yīng)加熱線圈3直徑為30mm，高頻感應(yīng)加熱線圈3是外徑為10mm，內(nèi)徑為5mm的銅管6，銅管6內(nèi)通冷卻水；為了安裝高頻感應(yīng)加熱線圈3，在墊板上開5個(gè)槽4，槽寬30mm，高25mm，槽4的一端為墊板邊緣，另一端為直徑30mm的圓弧，圓弧中心位于熱源點(diǎn)2正下方，在開槽時(shí)以圓弧中心為圓點(diǎn)保留直徑為10mm，長(zhǎng)25mm的圓柱體5作為鐵芯使用；在槽孔外側(cè)放置紅外測(cè)溫儀8，測(cè)溫點(diǎn)9位于鐵芯5距離墊板表面5mm處；銅管6和紅外測(cè)溫儀8均與控制箱7相連接，控制箱7根據(jù)控制策略對(duì)熱源溫度進(jìn)行控制。

如圖2所示。在攪拌摩擦焊接之前將需要焊接的3.2mm厚的2024鋁合金板材11放置于墊板1之上，調(diào)節(jié)攪拌頭10位置，使其置于第一個(gè)加熱點(diǎn)2上方。根據(jù)3.2mm厚鋁合金材料焊接參數(shù)制定的熱源溫度控制策略進(jìn)行焊接。隨著攪拌頭10的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由高頻感應(yīng)線圈3產(chǎn)生的熱量使熱源點(diǎn)在控制策略作用下產(chǎn)生隨攪拌進(jìn)給運(yùn)動(dòng)變化的溫度場(chǎng)，該溫度場(chǎng)與攪拌頭產(chǎn)生的熱源保持一致，減少由于攪拌頭產(chǎn)生熱不均勻?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力產(chǎn)生。在已焊接區(qū)域保持在450℃直至焊接過(guò)程完成，降低攪拌頭10焊接區(qū)域與已焊接區(qū)域之間的溫度梯度，減少因?yàn)闊崽荻犬a(chǎn)生的殘余應(yīng)力。在焊接完成后，控制熱源的產(chǎn)熱量，使焊接板材保持溫度在200℃，并保溫0.5小時(shí)，消除接頭內(nèi)的機(jī)械殘余應(yīng)力。

通過(guò)在攪拌摩擦焊中使用的能夠降低/消除攪拌摩擦焊接板材殘余應(yīng)力的墊板進(jìn)行攪拌摩擦焊接從本質(zhì)上減少殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生，消除接頭內(nèi)殘余機(jī)械應(yīng)力，更有效的降低FSW接頭內(nèi)殘余應(yīng)力，還能大大縮短退火時(shí)間，提高板材FSW接頭質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

本實(shí)施例的參數(shù)是根據(jù)具體的焊接材料設(shè)計(jì)的，具體實(shí)施時(shí)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)啟示，適當(dāng)調(diào)整各個(gè)具體的參數(shù)實(shí)現(xiàn)低應(yīng)用攪拌摩擦焊。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。