一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，搅拌摩擦焊接装置的搅拌针上套设有支撑组件，支撑组件上设置有加热元件，支撑组件能够随着搅拌针横向同步平移但不转动，轴肩与支撑组件顶面之间的空间刚好能够卡装工件；焊接方法步骤包括调整搅拌摩擦焊机与待焊板材的相对位置，使待焊板材对接区与搅拌针对中，并再次调整轴肩与支撑组件顶面之间的空间高度，使该空间高度比待焊板材厚度小

【技术实现步骤摘要】
一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法


[0001]本专利技术属于搅拌摩擦焊
，具体涉及一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦焊是通过搅拌头高速旋转与材料发生作用，使材料发生剧烈塑性变形，实现材料的热塑性流动并使其再结晶形成细小等轴晶，从而实现工件连接
。
搅拌摩擦焊可以有效避免传统熔焊带来的裂纹
、
气孔
、
夹杂等缺陷，通常用于铝
、
镁及其合金等低熔点金属材料的连接
。
[0003]对于高熔点板材
(
熔点不低于
1400℃
，如钛合金
)
特别是中厚板
(
厚度6‑
12mm)
而言，由于其热导率低，焊缝底部往往因热输入不足产生焊接缺陷，当其搅拌针针长与下压量同待焊板材厚度不匹配时，接头根部容易出现未焊透缺陷
。
此外，由于高熔点材料塑化温度高
、
流变应力大，搅拌摩擦焊接过程中通常采用低转速
、
低焊速的工艺参数匹配，这严重了影响焊接效率，所有这些因素严重限制了高熔点材料搅拌摩擦焊接技术的发展和应用
。
[0004]尽管采用双轴肩搅拌摩擦焊可以提高焊缝根部产热，减小材料沿厚度方向的温度梯度，但将其应用于高熔点材料时，焊接过程中的搅拌针会承受较高的过程载荷
(
金属流变应力
)
，很容易造成焊接过程失稳
、
搅拌针断裂
。
[0005]现有技术中，文献
CN108890118A
公开了一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用背部辅助加热装置，焊接用背部垫板内部设置有沿其长度方向分布的加热组件，但其加热温度不易调整，且容易出现过热，无法适用于高熔点薄板
(
厚度3‑
5mm)
材料的焊接；文献
CN104551379A
公开了一种采用电弧
、MIG
等热源辅助搅拌摩擦焊接的方法，但这种从焊缝正面添加辅助热源的方法不能有效改善由于材料热导率低或者被焊材料厚度增加造成的大梯度温度场，反而会造成温度梯度更大；文献
CN 108907448A
公开了一种对厚板铜铝异种金属背面进行移动式加热的搅拌摩擦焊焊工艺方法这种方法通过电磁炉的交变磁场对钢垫板进行加热，但其背部支撑装置较为复杂，同时未从根本上解决焊缝根部未焊透缺陷这一问题
。
[0006]更重要地是，现有搅拌摩擦焊接设备对待焊板材固定精度要求非常高，一旦平整度欠佳就容易导致焊缝出现缺陷，尤其是焊接具有长焊缝
(
长度不小于
500mm)
的高熔点薄板时，焊缝区域会出现多处长条形焊接缺陷
。

技术实现思路

[0007]至少为了解决
技术介绍
中提到的技术问题，本专利技术目的在于提供一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
。
[0008]本专利技术采用了如下技术方案
。
[0009]一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置，包括夹持部，夹持部上段固定连接搅拌摩擦焊机主轴，夹持部上段固定连接轴肩，在轴肩上设置有与轴肩一体成型的搅拌针，在搅拌针上套设有支撑组件，支撑组件上设置有加热元件，支撑组件能够随着搅拌针横向同
步平移但不转动，轴肩与支撑组件顶面之间的空间刚好能够卡装工件，支撑组件的顶面为标准平面且用于紧密贴靠工件，搅拌针从工件的焊缝中穿过
。
[0010]为了进一步提高焊接质量，所述支撑组件包括顶端为平面的筒体，在筒体上设置的加热线圈作为所述加热元件，在筒体上还设置有循环冷却通道，在筒体内腔设置有轴承组件，轴承组件套设在搅拌针上，在轴承组件下方设置有固定在筒体下端的轴承端盖
。
[0011]作为优选，轴承组件包括同轴布置的上角接触球轴承和下角接触球轴承，在上角接触球轴承与下角接触球轴承之间设置有垫圈
。
采用这样的结构能够避免产生附加轴向力，并保持运动稳定，提高整个焊接装置的使用寿命
。
[0012]为了进一步提高焊接过程的稳定性，作为优选方案之一，在轴承端盖内侧设置有固定环，固定环套设并固定连接在搅拌针上，固定环下端与轴承端盖下端齐平，固定环外侧壁贴靠轴承端盖内侧壁；轴肩与支撑组件顶面之间的空间高度比工件厚度小
0.1
～
0.2mm。
[0013]一种采用前述搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，步骤包括：步骤1，先用有机溶剂擦拭待焊板材表面，然后将待焊板材固定在工作台上，使待焊板材对接并且处于同一水平面上；步骤2，根据待焊板材厚度调整轴肩与支撑组件顶面之间的空间高度，使该空间高度大于或等于待焊板材厚度；步骤3，开启循环冷却通道连接的供液系统，使冷却液循环流动；步骤4，根据待焊板材熔点设定感应加热功率，开启加热元件的电源，并控制待焊板材温度在焊接之前保持在
400
‑
1000℃
之间；步骤5，调整搅拌摩擦焊机与待焊板材的相对位置，使待焊板材对接区与搅拌针对中，并再次调整轴肩与支撑组件顶面之间的空间高度，使该空间高度比待焊板材厚度小
0.1
～
0.2mm
；调整焊接参数后进行焊接，使轴肩和搅拌针以
20
‑
1000rpm
的转速同步旋转，使轴肩和搅拌针以
20
‑
100mm/min
的速度平移，直至完成整个焊接过程
。
[0014]为了进一步提高焊接过程的稳定性，作为优选方案之二，在轴承端盖内侧设置有固定环，固定环套设并活动套设在搅拌针上，固定环下端与轴承端盖下端齐平，固定环外侧壁贴靠轴承端盖内侧壁；在筒体下方设置有柔性顶压机构，柔性顶压机构用于支撑筒体
、
轴承端盖和固定环，使轴肩与支撑组件顶面之间的空间高度比工件厚度小
0.1
～
0.2mm。
[0015]为了防止较长的焊缝出现多处长条形焊接缺陷，柔性顶压机构包括线性滑轨，线性滑轨与支撑组件的顶面平行，在线性滑轨上设置有活动座体，在活动座体上设置有伺服电机，伺服电机输出端通过齿轮传动机构连接竖直布置且相互平行的三根滚珠丝杠，三根滚珠丝杠上均配合有螺母座，螺母座固定连接支撑盘，支撑盘顶面为平面且用于支撑筒体
、
轴承端盖和固定环；伺服电机运行时，通过齿轮传动机构带动三根滚珠丝杠同步转动，进而带动螺母座和支撑盘同步上下移动，进而带动由“筒体
、
轴承端盖
、
固定环
、
轴承组件和加热线圈”构成的整体上下移动
。
[0016]进一步地，伺服电机
、
齿轮传动机构和滚珠丝杠部分节段位于箱体内，支撑盘上
、
箱体顶部均设置有多个通孔供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于高熔点材料的搅拌摩擦焊接装置，包括夹持部（1），夹持部（1）上段固定连接搅拌摩擦焊机主轴，夹持部（1）上段固定连接轴肩（2），其特征在于：在轴肩（2）上设置有与轴肩（2）一体成型的搅拌针（3），在搅拌针（3）上套设有支撑组件，支撑组件上设置有加热元件，支撑组件能够随着搅拌针（3）横向同步平移但不转动，轴肩（2）与支撑组件顶面之间的空间（
12
）刚好能够卡装工件，支撑组件的顶面（
13
）为标准平面且用于紧密贴靠工件，搅拌针（3）从工件的焊缝中穿过
。2.
根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述支撑组件包括顶端为平面的筒体（5），在筒体（5）上设置的加热线圈（4）作为所述加热元件，在筒体（5）上还设置有循环冷却通道（6），在筒体（5）内腔设置有轴承组件，轴承组件套设在搅拌针（3）上，在轴承组件下方设置有固定在筒体（5）下端的轴承端盖（7）
。3.
根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：轴承组件包括同轴布置的上角接触球轴承（8）和下角接触球轴承（
10
），在上角接触球轴承（8）与下角接触球轴承（
10
）之间设置有垫圈（9）
。4.
根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在轴承端盖（7）内侧设置有固定环（
11
），固定环（
11
）套设并固定连接在搅拌针（3）上，固定环（
11
）下端与轴承端盖（7）下端齐平，固定环（
11
）外侧壁贴靠轴承端盖（7）内侧壁；轴肩（2）与支撑组件顶面（
13
）之间的空间高度比工件厚度小
0.1~0.2mm。5.
根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：在轴承端盖（7）内侧设置有固定环（
11
），固定环（
11
）套设并活动套设在搅拌针（3）上，固定环（
11
）下端与轴承端盖（7）下端齐平，固定环（
11
）外侧壁贴靠轴承端盖（7）内侧壁；在筒体（5）下方设置有柔性顶压机构，柔性顶压机构用于支撑筒体（5）
、
轴承端盖（7）和固定环（
11
），使轴肩（2）与支撑组件顶面（
13
）之间的空间高度比工件厚度小
0.1~0.2mm。6.
根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：柔性顶压机构包括线性滑轨（
20
），线性滑轨（
20
）与支撑组件的顶面（
13
）平行，在线性滑轨（
20
）上设置有活动座体（
21
），在活动座体（
21
）上设置有伺服电机（
22
），伺服电机（
22
）输出端通过齿轮传动机构（
26
）连接竖直布置且相互平行的三根滚珠丝杠（
23
），三根滚珠丝杠（
23
）上均配合有螺母座（
24
），螺母座（
24
）固定连接支撑盘（
25
），支撑盘（
25
）顶面为平面且用于支撑筒体（5）
、
轴承端盖（7）和固定环（
11
）；伺服电机（
22
）运行时，通过齿轮传动机构（
26
）带动三根滚珠丝杠（
23
）同步转动，进而带动螺母座（
24
）和支撑盘（
25
）同步上下移动，进而带动由“筒体（5）
、
轴承端盖（7）
、
固定...

【专利技术属性】
技术研发人员：周利，孙广达，孙舒蕾，高士康，高福洋，吕逸帆，廖志谦，
申请(专利权)人：洛阳船舶材料研究所中国船舶集团有限公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：