一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置,其特征是所述的焊接装置包括激光发射器、超声执行器和搅拌器，所述激光发射器设于所述搅拌器上，所述复合超声末端执行器设于所述搅拌器内部且与搅拌针同轴，所述搅拌器下端与所述第一板材的上表面和第二板材的上表面相贴合。本发明专利技术生产效率高，产品质量好，适应性好。适应性好。适应性好。
【技术实现步骤摘要】
一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置
[0001]本专利技术涉及焊接
，尤其是一种高熔点异种材料超薄板材的搅拌摩擦焊接技术，具体地说是一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置。
技术介绍
[0002]搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，其原理是利用焊接头部高速旋转的搅拌针与工件待结合处摩擦生热软化材料，达到局部塑性流动的效果，并在搅拌针的挤压下，在两工件间形成致密焊缝，以完成焊接。相比于传统的熔化焊接方法，搅拌摩擦焊具有强度高、残余应力小、变形小等优点。
[0003]随着科技的发展进步，航空航天、汽车、船舶等行业对节能减排和轻量化的要求越来越高，采用薄板材料替代厚板成为了一种发展趋势，航空航天等领域对薄板等轻量化结构的需求也日益显著，但薄板的传统融焊方法焊后变形大、矫形困难，这个问题在异种材料薄板的焊接中更加严重。且目前钛合金等高熔点材料在很多领域应用广泛，而传统搅拌摩擦焊只适用于铝合金等低熔点、高塑性材料的焊接，存在可焊接材料范围受限等问题。以上方法均难以实现高熔点异种材料薄板的焊接。
[0004]近年来，辅助能场搅拌摩擦焊在国内外受到了广泛关注，尤其是辅助热能场。辅助热能场的种类有多种，主要包括：激光热、电阻热等。与其它辅助热能场相比，激光功率密度高，激光束可控性好，易于实现信息化、智能化，且激光设备体积小、价格低。因此，激光可能是一种优质的搅拌摩擦焊接辅助热能场。现今许多学者展开了不少激光辅助搅拌摩擦焊的研究，如名称为“一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置”，专利号为“201210498493.7”的专利技术专利，名称为“一种激光辅助搅拌摩擦焊接薄板T型接头的装置及方法”，专利号为“201510476776.5”的专利技术专利等，都提供了激光辅助搅拌摩擦焊的装置及方法。但大量研究发现，由于待焊板材常采用异种材料，而异种材料普遍导热系数、热胀系数及熔点相差较大，在激光辅助搅拌摩擦焊接过程中极易出现变形，在薄板的焊接中更加严重。且目前的激光辅助搅拌摩擦焊装置仅能实现焊接方向上的激光辅助，激光发射器可动自由度较少，相关装置在结构上需要改进。
[0005]同样受到大量关注的还有超声波辅助搅拌摩擦焊，如名称为“一种超声辅助异质材料搅拌摩擦搭接装置及搭接方法”，专利号为“201711123653.9”的专利技术专利，名称为“一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法”，专利号为“201610704203.8”的专利技术专利以及名称为“超声振动辅助搅拌摩擦焊装置”，专利号为“201220342406.4”的专利技术专利等。超声波辅助搅拌摩擦焊利用超声波的空化效应、热效应等，使得超声换能振动起到提高焊接质量及焊接效率的作用，可以应用于异种材料的焊接中，但超声波辅助搅拌摩擦焊没有很好地解决传统搅拌摩擦焊难以焊接高熔点材料薄板的问题。
[0006]综上所述，在焊接高熔点异种材料薄板时，目前的激光辅助搅拌摩擦焊很难对异种材料进行焊接，且焊后质量较低；超声波辅助搅拌摩擦焊没有很好地解决传统搅拌摩擦焊加工材料范围受限的问题，因而急需寻找一种适用于高熔点异种材料薄板的搅拌摩擦焊
接的方法和装置，解决其现有的问题。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是针对高熔点异种材料薄板在激光辅助搅拌摩擦焊及超声波辅助搅拌摩擦焊下的局限性问题，专利技术一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场方法和装置，它将激光发射器通过光轴与搅拌器固定，可通过调整装置调节激光点位置参数，在主轴中集成超声波发生器，实现超声
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激光复合能场辅助的搅拌摩擦焊接加工。
[0008]本专利技术的技术方案之一是：
[0009]一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置,用于将第一板材、第二板材焊接为一个整体。所述焊接部件包括激光发射器、超声执行器和搅拌器，所述激光发射器设于所述搅拌器上，所述超声执行器设于所述搅拌器内部且与搅拌针同轴，所述搅拌器下端与所述第一板材的上表面和第二板材的上表面相贴合。所述第一板材、第二板材的厚度均小于3mm。
[0010]所述搅拌器上设有一根光轴，所述光轴上设有光轴夹紧装置和滑块槽，所述激光发射器在锁紧螺栓作用下设于滑块槽内，通过移动光轴夹紧装置实现激光发射器沿焊缝方向的位置调整，通过滑槽实现激光发射器沿垂直焊缝方向的位置调整。
[0011]所述激光发射器上设有激光管，所述激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1～5mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在8mm～16mm之间。所述激光发射器通过滑槽移动使激光点位置发生偏置，可实现异种材料连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，假设第一板材为熔点较高金属材料，激光管与第一板材上表面的夹角范围在18
°
～50
°
之间。
[0012]所述激光发射器采用CO2激光发射器产生激光，激光功率范围在180W—2400W之间。
[0013]所述搅拌器上设有搅拌针和位于搅拌针上部的轴肩。所述搅拌针呈上大下小的圆台形，外侧面上设有螺纹，所述外螺纹的螺纹角度在3
°
～6
°
之间，所述搅拌器与被焊工件法线夹角范围在3
°
～4
°
之间。所述搅拌针位于所述搅拌器的外部后端，与所述传振螺柱的后端固定连接，通过电机带动旋转，所述搅拌针的旋转速度范围在800～1200rpm之间。
[0014]所述搅拌器内部设有超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器，包括：一个传振螺柱，所述传振螺柱的前端固定一个超声波换能器和一个超声波发射器。法兰I，固定在所述超声波发射器的节点上，且其外表面与所述搅拌器的内壁固定连接；法兰II，固定在所述传振螺柱的位移节点，其侧表面与所述搅拌器的后端盖固定连接。
[0015]本专利技术的技术方案之二是：
[0016]一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场的方法，采用高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置进行焊接，所述高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场的方法包括以下步骤：
[0017]第一步，将第一板材、第二板材分别放置于加工台面上；
[0018]第二步，将激光发射器通过锁紧螺栓安装在滑块槽内，可通过调整装置调节激光点位置参数，利用光轴夹紧装置与锁紧螺栓固定，将光轴固定在搅拌器上，将超声搅拌摩擦焊复合焊接末端执行器固定在搅拌器内部，再将搅拌器置于所述第一板材、第二板材二者
接触处；
[0019]第三步，在焊接时首先接通超声波发射器，所述超声波换能器将高频电能转化为相应频率的机械振动。通过传振螺柱将超声波换能器产生的高频机械振动进行放大，并将放大后的超声振幅传递给搅拌针。其中搅拌针与传振螺柱、超声波换能器保持同步旋转。
[0020]第四步，在焊接时激光管引导激光对焊接工件的被焊区域进行预热，搅拌针在电机的带动下对被焊区域进行搅拌摩擦焊接，搅拌器与激光发射器同时同速率沿焊接方向移动。
[0021]所述第四步中的焊接速度范围在50～90mm/mi本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置，用于将第一板材(13)、第二板材(14)焊接为一个整体，其特征是它包括激光发射器(7)、超声波发射器(1)和搅拌器(12)，所述激光发射器(7)设于所述搅拌器(12)上，所述超声波发射器(1)设于所述搅拌器(12)内部且与搅拌针(6)同轴，所述搅拌器(12)下端与所述第一板材(13)的上表面和第二板材(14)的上表面相贴合；所述第一板材(13)、第二板材(14)的厚度均小于3mm；所述的搅拌器(12)的一侧设有一根光轴(11)，所述光轴(11)上设有光轴夹紧装置(10)和滑块槽(9)，所述激光发射器(7)在锁紧螺栓(8)的作用下设于滑块槽(9)内，通过移动夹紧装置(10)在光轴(11)上的位置实现激光发射器沿焊缝方向的位置调整，通过滑块槽(9)实现激光发射器(7)沿垂直焊缝方向的位置调整；所述激光发射器(7)中的激光管产生激光束，激光束照射在被焊工件的光斑直径范围在1～5mm之间，激光束照射光斑距实际焊接位置的距离在8mm～16mm之间；所述激光发射器(7)通过在滑动槽(9)中的移动使激光点位置发生偏置，以实现异种材料连接中针对熔点较高的金属的激光辅助预热，假设第一板材为熔点较高金属材料，则激光管与第一板材上表面的夹角范围在18
°
～0
°
之间；所述的搅拌器(12)中安装有一个传振螺柱(5)，所述传振螺柱(5)的前端固定有超声波换能器(4)和超声波发射器(1)，超声波发射器的节点上固定有第一法兰(2)，第一法兰(2)的外表面与所述搅拌器(2)的内壁固定连接；传振螺柱(5)的位移节点上固定有第二法兰(3)，第二法兰(3)的侧表面也与所述搅拌器(12)的固定连接。2.如权利要求1所述的高熔点异种材料薄板搅拌摩擦焊复合能场装置，其特征是所述的激光发射器(7)采用CO2激光发射器产生激光，激光功率范围在180W～240...
【专利技术属性】
技术研发人员：毕博，罗宇，徐锋，高钰，张文艺，马仁智，孙硕，阎瑾仪，赵欣，刘炎馨，娄陈旭坤，朱子轩，黎向锋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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