一种超声复合搅拌摩擦焊接装置及焊接方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声复合搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头、转接装置和换能器，所述搅拌头包括搅拌针和静轴肩，搅拌针和静轴肩之间设有下轴承，静轴肩内孔通过螺纹连接有支撑筒，用于固定下轴承，搅拌针通过其夹持部与焊接设备主轴旋转刀柄连接；换能器包含压紧套筒、压电陶瓷片、电极和绝缘套，压电陶瓷片及电极与静轴肩为一体化结构设计。本发明专利技术还公开的该焊接装置的焊接方法。本发明专利技术实现超声辅助搅拌摩擦焊接，超声换能器不承受焊接轴向压力，焊接过程不影响其超声振动效果，显著增强超声能量复合焊接效果，降低焊接过程材料的塑化抗力，促进焊缝金属的塑化变形和塑性流动，降低搅拌头轴向压力，细化晶粒，提高接头性能。提高接头性能。提高接头性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超声复合搅拌摩擦焊接装置及焊接方法


[0001]本专利技术属于焊接
，涉及一种超声复合搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦焊接是一种固相连接技术，接头性能相较于传统的熔化焊接大幅提升，已经广泛应用于航空航天、轨道交通、电力电子等行业轻合金构件的焊接。但实际生产中发现搅拌摩擦焊接还存在以下不足：1)焊接过程需要通过搅拌头对工件施加较大的轴向压力，使得工件的背部垫板工装易变形，装配质量难以保持搅拌摩擦高精度要求，工件焊接部位与背部支撑工装贴合不紧而产生不同程度的间隙，使得焊接过程搅拌头下压量不均匀，导致焊缝表面成形不均匀、焊缝减薄量大、产生孔洞等焊接缺陷；2)由于搅拌头轴肩与被焊工件表面的摩擦作用提供了大部分焊接热量，使得焊缝表面或表层过热，而沿板厚方向温度分布明显不均匀，导致接头组织及性能沿板厚存在差异，且板厚越大不均匀性越严重，影响接头服役性能；3)由于焊接热输入沿板厚的不均匀，使得背面焊缝尤其是焊缝根部热输入传递不足，导致接头根部易产生未焊透和根部弱结合等特殊缺陷，无法从根本上解决。上述问题困扰着搅拌摩擦焊接生产质量和效率的提升。
[0003]功率超声是超声学的一个分支，其频率范围从几千赫兹到几百千赫兹，功率范围从几瓦到几万瓦，通过传输直接作用于金属塑性变形、结晶及组织转变过程时由于周期性交变声场而产生一系列独特的力学效应、热效应、空化效应以及声流效应等，可改变或加速改变金属塑性流动或结晶状态，改善组织结构、减少缺陷、提高力学性能。在常规搅拌摩擦焊接过程中引入超声，改变焊接工艺特性，以实现普通焊接难以达到的效果，形成超声复合搅拌摩擦焊接技术，是开发焊接新技术、解决常规搅拌摩擦焊接工艺瓶颈问题切实可行的途径之一。
[0004]目前，在搅拌摩擦焊接中引入超声实现辅助焊接的方式大致可分两种，一种是通过搅拌头引入，包括从搅拌针或轴肩引入，这种方式将超声换能器与搅拌针或轴肩刚性连接，焊接过程中超声换能器随搅拌针或轴肩一同承受较大的焊接轴向压力，会严重阻碍超声换能器中压电晶片的超声振动，从而大幅降低超声能量的利用，甚至无法起振而无法实现超声辅助/复合焊接的目的；另一种是通过焊接工件的母材引入，这种方法本质上是超声驱动变幅杆或振动装置使母材振动以影响焊接过程，不是将超声能量场直接作用于焊缝金属，且变幅杆或振动装置直接与未达塑化状态的母材表面接触，超声能量在接触界面的空气中衰减，进入焊缝金属的超声能量非常有限。此外，目前方法基本都需使用变幅杆扩大超声振幅后方能发挥实际作用，为了保证超声振动系统工作效率最高，要求变幅杆固有频率与换能器输出频率相吻合以达到谐振状态，需特殊设计变幅杆的结构，由于换能器在工作中其频率在一定范围内波动而非定值，要让变幅杆达到谐振状态比较困难。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种超声复合搅拌摩擦焊接装置及
焊接方法。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0007]一种超声复合搅拌摩擦焊接装置主要由搅拌头、转接装置和换能器三部分组成，所述的搅拌头由搅拌针和静轴肩组成，所述的搅拌针和静轴肩之间设有下轴承，为固定下轴承在静轴肩内孔通过螺纹连接安装支撑筒，搅拌针通过其夹持部与焊接设备主轴旋转刀柄连接，搅拌针依次穿过转接装置、换能器及静轴肩中心孔；所述的转接装置主要由转接壳体、扶正板及盖板构成，所述的转接壳体上端通过螺钉与焊接设备主轴静止外壳连接，转接壳体下端通过螺钉与静轴肩连接，扶正板通过螺钉与转接壳体上部内腔处的台阶连接固定，搅拌针穿过扶正板的内孔，在搅拌针和扶正板之间设有上轴承，盖板通过螺钉与扶正板安装以实现对上轴承的固定；所述的换能器主要包含压紧套筒、压电陶瓷片、电极和绝缘套，所述的压电陶瓷片、电极和绝缘套安装在压紧套筒和静轴肩之间，绝缘套安装在压电陶瓷片和电极的中心孔位，压电陶瓷片及电极与静轴肩为一体化结构设计，压紧套筒和静轴肩通过螺栓连接并将二者之间的压电陶瓷片及电极以一定预应力压紧，电极通过超声传输线缆与超声电源连接，利用换能器产生的超声振动直接通过静轴肩传输作用于焊缝金属，实现超声复合搅拌摩擦焊接。
[0008]压电陶瓷片的压紧预应力通过压紧套筒和静轴肩的连接螺栓拧紧程度来调节，保证压电陶瓷片处于最佳工作状态。
[0009]换能器的压电陶瓷片数量不少于1件，电极不少于2件，电极串联安装在压电陶瓷片之间。
[0010]绝缘套安装在压电陶瓷片和电极内孔，且压紧套筒和静轴肩与电极的接触面绝缘处理。
[0011]超声传输线缆通过固线块将其固定在转接壳体上。
[0012]搅拌针从上到下依次穿过扶正板、换能器和静轴肩，为了防止搅拌针在焊接时旋转过程中与换能器内孔壁接触，在搅拌针上端与扶正板以及下端与静轴肩位置之间分别设有上轴承和下轴承。
[0013]本专利技术还提供一种超声复合搅拌摩擦焊接方法，步骤如下：
[0014]S1：将超声复合搅拌摩擦焊接装置的各部件依次装配连接，过程中通过力矩扳手调节压紧套筒和静轴肩的连接螺栓拧紧程度将压电陶瓷片的压紧预应力调整到设定值，将搅拌针与焊接设备主轴旋转刀柄连接，将转接壳体与焊接设备主轴静止外壳连接；
[0015]S2:移动设备主轴将搅拌针及静轴肩对准完成了焊前准备的待焊工件的焊缝；
[0016]S3:启动焊接设备并设定焊接参数，主要包括搅拌针转速、搅拌针倾角、焊接速度、静轴肩压入待焊工件的压入量或者下压力；
[0017]S4:启动超声电源并设定超声参数，主要包括超声频率及功率；
[0018]S5:控制焊接设备将转速达到设定值的搅拌针扎入待焊工件，直至静轴肩压入待焊工件的压入量达到设定值或者下压力达到设定值，停留一定时间后，焊接设备驱动搅拌针或者待焊工件按照设定的焊接速度沿焊缝轨迹运动，过程中超声电源驱动压电陶瓷片按照设定的频率及功率将电能转换成超声能通过静轴肩导入焊缝，实现超声复合搅拌摩擦焊接；
[0019]S6:完成焊接，拆卸被焊工件。
[0020]本专利技术具有以下优点：
[0021]1.本专利技术超声系统和焊接系统独立，不改变现有焊接生产工艺和流程，不影响焊接过程稳定性，只需调节超声频率及功率两个参数即可利用超声的诸多特性，实现超声辅助搅拌摩擦焊接，降低焊接过程材料的塑化抗力，促进焊缝金属的塑化变形和塑性流动，降低搅拌头轴向压力，有效防止常规搅拌摩擦焊接背面焊缝根部弱连接及未焊透等缺陷，细化晶粒，提高接头性能。
[0022]2.本专利技术超声换能器与搅拌轴肩一体化结构设计，将压电陶瓷片产生的超声能量通过轴肩直接传输进入焊缝，从本质上区别于现有技术中超声换能器与轴肩通过刚性连接的分体式设计，避免了超声能量在二者连接界面的传输损耗，大幅提高了超声能量的有效利用率；同时，通过轴肩将超声能量直接传输进入焊缝，利用超声能量的力学效应、热效应、空化效应以及声流效应等各种特性作用于搅拌摩擦焊接过程，促进材料塑化及流动，改善再结晶及组织转变等，这显著区别于现有技术中采用变幅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声复合搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括搅拌头、转接装置和换能器，所述搅拌头包括搅拌针和静轴肩，搅拌针和静轴肩之间设有下轴承，静轴肩内孔通过螺纹连接有支撑筒，用于固定下轴承，搅拌针通过其夹持部与焊接设备主轴旋转刀柄连接，搅拌针依次穿过转接装置、换能器及静轴肩中心孔；所述转接装置包括转接壳体、扶正板和盖板，所述转接壳体上端通过螺钉与焊接设备主轴静止外壳连接，转接壳体下端通过螺钉与静轴肩连接，扶正板通过螺钉与转接壳体上部内腔处的台阶连接，搅拌针穿过扶正板的内孔，在搅拌针和扶正板之间设有上轴承，盖板通过螺钉与扶正板连接以实现对上轴承的固定；所述换能器包含压紧套筒、压电陶瓷片、电极和绝缘套，所述压电陶瓷片、电极和绝缘套安装在压紧套筒和静轴肩之间，绝缘套安装在压电陶瓷片和电极的中心孔位，压电陶瓷片及电极与静轴肩为一体化结构设计，压紧套筒和静轴肩通过螺栓连接并将二者之间的压电陶瓷片及电极以一定预应力压紧，电极通过超声传输线缆与超声电源连接。2.根据权利要求1所述的一种超声复合搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述压电陶瓷片的预应力通过压紧套筒和静轴肩的连接螺栓拧紧程度来调节。3.根据权利要求1所述的一种超声复合搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述压电陶瓷片数量不少于1件,电极不少于2件，电极串联安装在压电陶瓷片之间。4.根据权利要求1所述的一种超声复合搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑森木，文远华，朱志，
申请(专利权)人：四川航天长征装备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：