流动摩擦焊接方法及其工具技术

本发明专利技术属于焊接技术，涉及一种适用于同种或异种热塑性材料的连接、加工以及工件缺陷修补的流动摩擦焊接方法及其工具。本发明专利技术的焊接方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以４０～４０００转／分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈０～１５°夹角与工件表面接触，接触后，流动摩擦工具对工件施加法向压力０．１～１００ｋＮ，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留２～３０秒之后进行焊接。本发明专利技术所用的流动摩擦工具的摩擦头端面开有螺旋形或放射形槽。本发明专利技术流动摩擦焊接工具没有伸入工件内部，因而本发明专利技术没有搅拌摩擦焊中的“匙孔”，本发明专利技术在点焊、搭接、对接、缺陷修补、材料加工等领域均可应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接技术，涉及一种适用于同种或异种热塑性材料的连接(如对接、 搭接、点焊等)，同时适用于材料的晶粒细化加工以及工件缺陷修补的流动摩擦焊接方法及其工具。
技术介绍
英国焊接研究所(The Welding Institute)专利技术的搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding,简称FSW，美国专利NO. 5，460，317)，是一项固相连接技术。搅拌摩擦焊所用的工 具为搅拌头，搅拌头的主要结构包括夹持柄(搅拌头与动力系统的连接部分)、轴肩和搅拌 针。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头旋转并对工件施加搅拌头轴线方向的顶锻力，搅拌针首先 接触到工件，搅拌针与工件间的摩擦和挤压产生热量，把搅拌针附近的材料加热到塑性状 态，保证搅拌针可以顺利扎入工件。当搅拌针完全扎入工件并且轴肩接触到工件表面时，搅 拌头停止轴向的运动并开始沿着焊缝方向移动，在搅拌针和轴肩对工件的摩擦、搅拌和挤 压作用下形成固相连接的接头。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针扎入工件并回抽，因而会在工 件上留有一“匙孔”。搅拌摩擦焊接过程中，因为搅拌针的搅拌作用，接头中易出现“S线”缺 陷、搭接界面畸变、未焊透缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在焊接工件表面不留“匙孔”的流动摩擦焊接方法及其 工具。本专利技术的技术解决方案是，流动摩擦焊接方法是将流动摩擦工具置于焊接设备上，并 以40 4000转/分旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0 15°夹角与工件 表面接触，接触后流动摩擦工具对工件施加法向压力0. 1 100KN，流动摩擦工具保持法向 压力、持续旋转并在工件上停留2 30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，(一 )流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊 接结束；( 二 )流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0. 1 100KN,以10 1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具 向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。所述的流动摩擦工具对工件施加法向压力与流动摩擦工具端面的直径成正比。流动摩擦焊接方法所用的流动摩擦工具是，流动摩擦工具的摩擦头端面开有槽， 槽的深度为0. 1 4mm，槽的形状为如下之一，(一 )螺旋形，螺旋形槽为1 6条，螺旋形槽的螺旋方向与流动摩擦工具的旋转 方向相反，螺旋形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形；( 二)放射形，放射形槽以端面上的一点为中心向流动摩擦工具端面边缘放射，放 射形槽的放射轨迹为直线或圆弧线，放射形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形。所述的摩擦工具端面的槽是螺旋形或放射形或螺旋放射组合形。3所述槽的深度相同或槽口与槽尾间在0. 1 4mm间渐变。流动摩擦焊接(Friction Flow Welding，简称FFW)，适用于热塑性材料的连接。 流动摩擦焊接工具在外力的作用下旋转，流动摩擦焊接工具沿着焊接工具轴线方向接近工 件，当流动摩擦焊接工具的端面接触到工件表面时，流动摩擦焊接工具停止轴线方向的运 动并对工件施加一轴向顶锻力，通过流动摩擦焊接工具端面与工件间的摩擦产热、工件材 料在流动摩擦焊接工具作用下的高应变率大变形产生的热量使工件材料塑化，同时旋转运 动的流动摩擦焊接工具端面的槽结构对塑化的工件材料施以拘束、驱动作用，使塑化的工 件材料在空间范围内流动形成一个塑性材料流动区，从而消除焊接界面并形成接头。 本专利技术具有的优点和有益效果，流动摩擦焊接工具没有伸入工件内部、没有对工 件内部的材料进行搅拌，而是通过流动摩擦焊接工具端面与工件表面间的相互作用产生热 量，使工件材料塑化。同时，流动摩擦焊接工具端面的槽结构把大部分塑化的工件材料拘束 在流动摩擦焊接工具端面下方(也就是塑化的工件材料具有向流动摩擦工具端面中心运 动的趋势)，聚集在流动摩擦焊接工具下方的塑化工件材料受到流动摩擦焊接工具端面的 驱动而产生流动，这种流动是三维空间内的流动，塑性金属流动的方向不仅包括平行于流 动摩擦头端面的方向，还包括垂直于流动摩擦头端面的方向。工件焊接界面处的材料发生 塑化并发生三维空间流动，从而焊接界面消失并形成固相接头。流动摩擦焊接工具没有伸 入工件内部，因而本专利技术没有搅拌摩擦焊中的“匙孔”，同时与搅拌摩擦焊完全不同的接头 形成原理，使本专利技术具有搅拌摩擦焊不具备的诸多优点，本专利技术是一种全新的固相连接技术，本专利技术在薄壁结构件的点焊(如飞机蒙皮， 汽车蒙皮等)、异种材料点焊(如铝铜、铝钢等)、高温材料的点焊(钛合金、不锈钢等)、薄 壁结构件的对接和搭接、工件表面缺陷修补、材料性能优化、表面处理、复合材料的制备等 工程应用领域有巨大潜力。附图说明图1是本专利技术流动摩擦头示意图；图2是本专利技术流动摩擦头端面结构示意图，其中，A是槽结构示意图，B是槽的横截 面示意图；图3是本专利技术流动摩擦工具端面多种不同槽形的示意图；图4是本专利技术流动摩擦工具槽的多种不同横截面的示意图。具体实施例方式流动摩擦焊接方法是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40 4000转/分旋 转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0 15°夹角与工件表面接触，接触后流动 摩擦工具对工件施加法向压力0. 1 100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工 件上停留2 30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，(一 )流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊 接结束；( 二 )流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0. 1 100KN,以10 1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。所述的流动摩擦工具对工件施加法向压力与流动摩擦工具端面的直径成正比。流动摩擦焊接方法所用的流动摩擦工具是，流动摩擦工具的摩擦头端面开有槽， 槽的深度为0. 1 4mm，槽的形状为如下之一，(一 )螺旋形，螺旋形槽为1 6条，螺旋形槽的螺旋方向与流动摩擦工具的旋转 方向相反，螺旋形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形；( 二)放射形，放射形槽以端面上的一点为中心向流动摩擦工具端面边缘放射，放 射形槽的放射轨迹为直线或圆弧线，放射形槽的横截面为半圆形或矩形或倒三角形。所述的摩擦工具端面的槽是螺旋形或放射形或螺旋放射组合形。所述槽的深度相同或槽口与槽尾间在0. 1 4mm间渐变。如图1所示，流动摩擦工具主要包括夹持柄1和流动摩擦头端面2。夹持柄1的结 构与搅拌摩擦焊搅拌头的夹持柄结构类似，起固定作用。流动摩擦头端面2具有特殊的结 构，其作用包括三方面与工件材料相互作用(摩擦作用、流动摩擦头端面结构使工件材料 发生高应变率的大变形)产生热量；对塑化的材料施加拘束作用，使大部分塑化材料聚集 在流动摩擦头端面下方；驱动聚集在流动摩擦头端面下方的塑性金属在三维空间内流动， 可实现这三方面功能的结构均可作为流动摩擦头的端面结构。图2为一种流动摩擦头端面结构实例，该端面结构为一阿基米德螺旋槽。流动摩 擦头端面结构可通过端面结构的宏观形状和槽的横截面形状两个概念来描述。该实例的宏 观形状为阿基米德螺旋线状，槽的横截面形状为半圆形。图3是本专利技术流动摩擦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流动摩擦焊接方法，其特征是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以４０～４０００转／分的旋转速度旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈０～１５°夹角与工件表面接触，接触工件表面后流动摩擦工具对工件施加工件表面法向压力０．１～１００ＫＮ，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留２～３０秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，（一）流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束；（二）流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力０．１～１００ＫＮ，以１０～１５００ｍｍ／分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。

【技术特征摘要】
一种流动摩擦焊接方法，其特征是，将流动摩擦工具置于焊接设备上，并以40～4000转/分的旋转速度旋转，流动摩擦工具的轴线与被焊接工件表面呈0～15°夹角与工件表面接触，接触工件表面后流动摩擦工具对工件施加工件表面法向压力0.1～100KN，流动摩擦工具保持法向压力、持续旋转并在工件上停留2～30秒之后，流动摩擦工具的运动方式为如下之一，(一)流动摩擦工具继续旋转并向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束；(二)流动摩擦工具继续旋转并保持流动摩擦工具对工件施加法向压力0.1～100KN，以10～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向运动，完成焊接后，流动摩擦工具向上移动，流动摩擦工具端面离开工件上表面，焊接结束。2.根据权利要求1所述的流动摩擦焊接方法，其特征是，所述的流动...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫兵，李光，栾国红，董春林，
申请(专利权)人：北京赛福斯特技术有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]