專(zhuān)利名稱(chēng)：陣列式射流沖擊熱沉攪拌摩擦焊接方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接方法及裝置。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)FSW)是一種創(chuàng)新的固相連接技術(shù)，它利用攪拌頭與工件之間產(chǎn)生的摩擦熱使工件處于熱塑性狀態(tài)，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并向前移動(dòng)，處于熱塑性狀態(tài)的金屬不斷地從前端轉(zhuǎn)移到后端，通過(guò)軸肩的擠壓聯(lián)合作用，形成致密的焊縫。FSW過(guò)程中，攪拌頭與工件之間的摩擦熱使金屬處于熱塑性狀態(tài)，必然產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力對(duì)攪拌摩擦焊接頭疲勞性能和抗腐蝕性能會(huì)產(chǎn)生重要影響；焊接變形則會(huì)引起攪拌摩擦焊正常工藝流程的中斷。目前，在攪拌摩擦焊工藝中控制和消除薄壁構(gòu)件焊接應(yīng)力和變形，主要采用焊后矯形和夾具裝夾。這些方法有的需要繁雜龐大的設(shè)備，有的費(fèi)力耗時(shí)，有的對(duì)控制焊接應(yīng)力和變形的效果有限，并且都受到結(jié)構(gòu)焊縫形狀復(fù)雜性的影響，應(yīng)用范圍受到限制。
目前一些研究結(jié)果表明，焊接硬化狀態(tài)(形變硬化、時(shí)效硬化)有色輕金屬時(shí)，攪拌摩擦焊接頭熱影響區(qū)的性能與母材差異較大。這是由于攪拌摩擦焊接時(shí)摩擦熱的作用，引起了焊縫區(qū)及近縫區(qū)變形金屬的動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，特別是熱影響區(qū)金屬的動(dòng)態(tài)回復(fù)和晶粒長(zhǎng)大，以及位錯(cuò)密度降低、彌散分布第二相的溶解等，使得焊縫及近縫區(qū)金屬的宏觀硬度值低于加工硬化或時(shí)效強(qiáng)化金屬母材的硬度值，形成軟化區(qū)，從而使攪拌摩擦焊焊接該類(lèi)型材料時(shí)接頭強(qiáng)度低于母材。對(duì)攪拌摩擦焊接過(guò)程中的溫度進(jìn)行有效控制，以期減小攪拌摩擦焊接接頭的熱力影響區(qū)的軟化范圍和軟化程度，則可以大幅度提高接頭性能。
由北京航空工藝研究所申請(qǐng)的《動(dòng)態(tài)控制薄板構(gòu)件低應(yīng)力無(wú)變形焊接法及其裝置》(專(zhuān)利號(hào)ZL93101690.8)，公開(kāi)了一種采用可跟隨焊接熱源移動(dòng)的熱沉，對(duì)仍處于高溫的焊縫進(jìn)行局部冷卻。北京航空制造工程研究所申請(qǐng)的《采用介質(zhì)冷卻攪拌摩擦焊接方法及裝置》(申請(qǐng)?zhí)?00510105425.X)，將該裝置用于攪拌摩擦焊，熱沉由冷卻介質(zhì)管、高壓進(jìn)氣管和抽氣管等組成，冷卻介質(zhì)管被包圍在進(jìn)氣管中，且在熱沉噴嘴出口處冷卻介質(zhì)管略短于進(jìn)氣管，進(jìn)氣管末端直徑變小，冷卻介質(zhì)管和進(jìn)氣管共同組成噴嘴。但是此項(xiàng)發(fā)明在熱沉系統(tǒng)上的局限限制了它的工程化應(yīng)用。這是由于攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱來(lái)源于攪拌頭與被焊工件之間的摩擦生熱，攪拌頭的幾何尺寸決定了焊接時(shí)的最高溫度分布范圍，采用上述熱沉系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫后方區(qū)域的冷卻，不完全適合于攪拌摩擦焊的特點(diǎn)。
德國(guó)EADS有限公司Gerhard Scheglmann申請(qǐng)了《同時(shí)進(jìn)行冷卻的摩擦攪動(dòng)焊接方法及裝置》(中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1812640.5)，該發(fā)明提供了一種摩擦攪動(dòng)焊接的方法，冷卻液體由一個(gè)與攪拌頭同時(shí)運(yùn)動(dòng)的冷卻環(huán)限制地噴射在焊接后方區(qū)域中，通過(guò)該方法可以焊接具有對(duì)氧高親和性的合金和/或產(chǎn)生高塑化能量并可很好的控制焊接部位的熱量排出。該冷卻裝置采用了冷卻環(huán)，冷卻效果相對(duì)較差，且不能對(duì)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱進(jìn)行定量的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能對(duì)焊縫全面冷卻而且冷卻效果好的陣列式射流沖擊熱沉攪拌摩擦焊接方法及裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，裝置包括有控制系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)，壓縮氣體系統(tǒng)和熱沉，壓縮氣體系統(tǒng)分別與霧化發(fā)生器氣體噴嘴相接，冷卻介質(zhì)通過(guò)管路進(jìn)入霧化發(fā)生器；霧化發(fā)生器出口與陣列式射流沖擊熱沉的入口端相連；陣列式射流沖擊熱沉置于攪拌頭的外圍，陣列式射流沖擊熱沉為空腔體，其底面板按陣列式排列微射流沖擊孔，孔的上方倒角，上面板排列有與底面板微射流沖擊孔相對(duì)應(yīng)的孔，孔內(nèi)裝有螺桿，螺桿的下端為與底面板微射流沖擊孔上方倒角相對(duì)應(yīng)的球體。焊接方法是將陣列式射流沖擊熱沉置于攪拌頭外圍，熱沉與攪拌頭之間的間距離為0～5mm，熱沉下端面與被焊材料表面之間的距離為3～15mm，熱沉與攪拌頭同步運(yùn)動(dòng)；攪拌頭旋轉(zhuǎn)插入被焊材料至軸肩完全接觸被焊材料表面時(shí)，開(kāi)啟控制閥門(mén)將壓縮氣體以0.6～0.8MPar的壓力、冷卻介質(zhì)以15～25mm/min的流量通入霧化發(fā)生器，霧化后的冷卻介質(zhì)經(jīng)射流沖擊熱沉微射流沖擊孔噴射到被焊材料表面。調(diào)整螺桿的高度，開(kāi)啟或關(guān)閉微射流沖擊孔。
本發(fā)明采用一種新型陣列式射流沖擊熱沉，熱沉可以根據(jù)需要制作成不同的形狀，結(jié)合不同的微射流沖擊孔的孔徑大小和孔徑深度以及分布狀態(tài)，形成不同的換熱系數(shù)。
本發(fā)明提出的陣列式射流沖擊熱沉基于射流沖擊換熱理論，射流沖擊冷卻時(shí)，流體法向沖擊傳熱表面，形成很薄的速度和溫度邊界層，因而具有很高的傳熱效率。同時(shí)，設(shè)置不同的微射流孔孔徑和分布密度，可以形成不同的冷卻效果。熱沉還可以根據(jù)需要制作成不同的形狀，結(jié)合不同的微射流沖擊孔的分布形式，形成攪拌摩擦焊接區(qū)域局部可控的溫度場(chǎng)和熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，從而達(dá)到攪拌摩擦焊低應(yīng)力無(wú)變形的焊接效果。本發(fā)明充分利用了微射流沖擊換熱系數(shù)極高這一特點(diǎn)，在較小的冷卻介質(zhì)流量下獲得需要的冷卻的強(qiáng)度，從而徹底消除冷卻介質(zhì)的引入對(duì)設(shè)備及工作環(huán)境等造成的影響。本發(fā)明的冷卻介質(zhì)可根據(jù)焊接條件選取水、液氮以及其它公知的冷卻液。
公知的攪拌摩擦焊接由于摩擦熱的作用，使得焊縫及近縫區(qū)金屬的宏觀硬度值低于加工硬化或時(shí)效強(qiáng)化金屬母材的硬度值，形成軟化區(qū)。這是采用攪拌摩擦焊接硬化狀態(tài)材料時(shí)，接頭性能降低的主要原因。根據(jù)本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法可以很好的控制熱影響區(qū)的最高溫度，減小在熱影響區(qū)出現(xiàn)的強(qiáng)度下降。另外，公知的攪拌摩擦焊接方法由于攪拌頭與被焊材料的摩擦和粘結(jié)作用，使攪拌頭直接作用下的金屬發(fā)生高速剪切塑性變形，晶粒變形和破碎，形成細(xì)晶組織區(qū)；但是在攪拌頭以外的熱影響區(qū)，由于摩擦熱的作用促使該區(qū)域產(chǎn)生一定程度的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，采用本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法可以強(qiáng)制冷卻攪拌摩擦焊細(xì)晶區(qū)以外的高溫金屬，在保證高應(yīng)變速率的前提下降低變形區(qū)的溫度，從而限制晶粒長(zhǎng)大。因此，采用本發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法可以用于制備超細(xì)晶材料。
采用本發(fā)明進(jìn)行攪拌摩擦焊接，攪拌頭無(wú)氧化變色，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌頭的冷卻，從而延長(zhǎng)攪拌頭使用壽命，解決攪拌摩擦焊接高熔點(diǎn)材料時(shí)的攪拌頭冷卻問(wèn)題。其潛在的應(yīng)用價(jià)值是將采用該發(fā)明的攪拌摩擦焊接方法用于如鋼鐵、鈦合金等高熔點(diǎn)材料的焊接。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明陣列式射流沖擊熱沉結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明單個(gè)微射流沖擊孔的示意圖；圖4為本發(fā)明不同形狀熱沉的示意圖；圖5采用本發(fā)明后薄壁鋁合金攪拌摩擦焊殘余塑性應(yīng)變的對(duì)比；圖6采用本發(fā)明后薄壁鋁合金攪拌摩擦焊縱向殘余應(yīng)力的對(duì)比；圖7采用本發(fā)明控制鋁合金大型帶筋壁板攪拌摩擦焊焊縫橫向收縮的效果。
具體實(shí)施例方式
裝置如圖1所示，包括有控制系統(tǒng)1，冷卻介質(zhì)2，壓縮氣體系統(tǒng)3。冷卻介質(zhì)2與壓縮氣體系統(tǒng)3與霧化發(fā)生器7和氣體噴嘴10相接，冷卻介質(zhì)2通過(guò)管路進(jìn)入霧化發(fā)生器7，霧化發(fā)生器7包括一個(gè)冷卻介質(zhì)入口6，一個(gè)用于引入高壓氣流的進(jìn)氣口5，一個(gè)從液體入口延伸到液體射出口的液流通道以及一個(gè)曲線形氣流通道，該通道從進(jìn)氣口延伸到靠近霧化液體射出口8的位置，并與陣列式射流沖擊熱沉18的入口端17相連。陣列式射流沖擊熱沉18分為三個(gè)部分并置于攪拌頭16的外圍，，其中I為攪拌頭后方區(qū)域，II為FSW焊接后退側(cè)，III為FSW焊接前進(jìn)側(cè)。陣列式射流沖擊熱沉18為空腔體，其底面板22上按陣列式排列微射流沖擊孔21，孔的上方倒角23，上面板25排列有與底面板微射流沖擊孔21相對(duì)應(yīng)的孔27，孔27內(nèi)裝有螺桿26，螺桿26的下端為與底面板微射流沖擊孔21上方倒角23相對(duì)應(yīng)的球體24，根據(jù)實(shí)際焊接需求通過(guò)控制螺桿26的高度開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的部分或全部微射流沖擊孔21，從而形成不同的冷卻效果。
焊接時(shí)將陣列式射流沖擊熱沉18置于攪拌頭16外圍，陣列式射流沖擊熱沉18與攪拌頭16之間的間距離保持在0～5mm，陣列式射流沖擊熱沉18下端面22與被焊材料11表面之間的距離為3～15mm；被焊材料11置于墊板12之上，并用壓緊裝置13將被焊材料11壓緊；當(dāng)攪拌頭16在軸向壓力15作用下按照旋轉(zhuǎn)方向19旋轉(zhuǎn)插入被焊材料11，至攪拌頭軸肩20完全接觸被焊材料11時(shí)，開(kāi)啟控制閥門(mén)9，將壓縮氣體以0.6～0.8MPar的壓力、冷卻介質(zhì)以15～25mm/min的流量通入霧化發(fā)生器7，霧化后的冷卻介質(zhì)經(jīng)陣列式射流沖擊熱沉18的微射流沖擊孔21的噴射到被焊材料11表面；攪拌頭16在維持旋轉(zhuǎn)方向19的情況下沿焊接方向14運(yùn)動(dòng)，陣列式射流沖擊熱沉18與攪拌頭16同步運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制系統(tǒng)1及流量計(jì)4，可以形成不同的氣/液混合比例以及對(duì)陣列式射流沖擊熱沉18冷卻強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。充分霧化后的冷卻介質(zhì)沿管路進(jìn)入陣列式射流沖擊熱沉18，壓縮氣體噴嘴10防止多余的冷卻介質(zhì)侵入到未焊合的焊縫中，同時(shí)，可以形成一定程度的氣體冷卻效果，與前端開(kāi)口的陣列式射流沖擊熱沉18共同作用，將攪拌摩擦焊接熱循環(huán)拘束在可控的范圍內(nèi)。陣列式射流沖擊熱沉18還可以根據(jù)需要制作成不同的形狀，結(jié)合不同的微射流沖擊孔的分布形式和分布密度，形成對(duì)FSW焊接區(qū)域局部可控的溫度場(chǎng)和熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，從而達(dá)到FSW低應(yīng)力無(wú)變形的焊接效果。陣列式射流沖擊熱沉18底面板上可以按陣列式排列微射流孔21，也可以將孔改為噴嘴。
本發(fā)明的冷卻介質(zhì)可根據(jù)焊接材料的不同選取冷卻水、液氮或者其它的公知的冷卻液。
實(shí)施例1采用該發(fā)明裝置和常規(guī)攪拌摩擦焊焊接3mm厚5A06鋁合金板，攪拌頭主軸轉(zhuǎn)速1500rpm，焊接速度150mm/min，冷卻介質(zhì)選用冷卻水，流量為15ml/min，壓縮空氣壓力0.8MPa，熱沉18選用圖2所示結(jié)構(gòu)形式。圖5所示為常規(guī)FSW和采用陣列式射流沖擊熱沉FSW縱向殘余塑性應(yīng)變的對(duì)比，3mm厚5A06鋁合金常規(guī)FSW焊后近縫區(qū)縱向殘余塑性應(yīng)變?chǔ)舩p最大值為-1.57×10-3，而采用陣列式射流沖擊熱沉的FSW縱向殘余塑性應(yīng)變?chǔ)舩p降低60％以上；圖6為常規(guī)FSW和采用陣列式射流沖擊熱沉FSW縱向殘余應(yīng)力的對(duì)比，常規(guī)FSW焊接殘余拉應(yīng)力峰值σmax可達(dá)137MPa，而采用陣列式射流沖擊熱沉的FSW殘余拉應(yīng)力降低了60％以上，遠(yuǎn)離焊縫及近縫區(qū)的壓應(yīng)力值也大幅下降，低于工件的臨界失穩(wěn)應(yīng)力，不再發(fā)生壓屈失穩(wěn)變形。
實(shí)施例2鋁合金大型帶筋壁板FSW焊縫最長(zhǎng)可達(dá)12m，需要將上部寬度為8mm的6082-T6筋條與5083-H321板材焊接在一起。FSW焊接熱循環(huán)導(dǎo)致板材發(fā)生不規(guī)則的收縮變形，影響焊接裝配。采用該發(fā)明裝置進(jìn)行攪拌摩擦焊接，參數(shù)選擇為攪拌頭主軸轉(zhuǎn)速1200rpm，焊接速度700mm/min，冷卻介質(zhì)為冷卻水，流量為20ml/min，壓縮空氣壓力為0.7MPa，采用圖4(b)所示的冷卻熱沉，熱沉18的底面板上按陣列方式排列微射流噴嘴。圖7為鋁合金大型帶筋壁板摸擬件FSW焊后橫向收縮情況，可以發(fā)現(xiàn)，采用陣列式射流沖擊熱沉攪拌摩擦焊技術(shù)后，試件平均橫向收縮量為常規(guī)FSW焊后橫向收縮量的43.63％。FSW焊接橫向收縮量得到有效控制。這是由于采用DC-LSND焊接方法，由于熱沉的急冷作用，不僅焊縫兩側(cè)金屬因升溫導(dǎo)致的膨脹得到限制，而且可以在焊縫處形成溫差拉伸效應(yīng)，從而減小由于焊接熱循環(huán)導(dǎo)致的焊縫及近縫區(qū)縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，工件最終的橫向收縮減小。
權(quán)利要求
1.一種采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接的裝置，包括有控制系統(tǒng)[1]，冷卻介質(zhì)[2]，壓縮氣體系統(tǒng)[3]和熱沉[18]，其特征在于，壓縮氣體系統(tǒng)[3]分別與霧化發(fā)生器[7]和氣體噴嘴[10]相接，冷卻介質(zhì)[2]通過(guò)管路進(jìn)入霧化發(fā)生器[7]；霧化發(fā)生器[7]出口[8]與陣列式射流沖擊熱沉[18]的入口端[17]相連；陣列式射流沖擊熱沉[18]置于攪拌頭[16]的外圍，陣列式射流沖擊熱沉[18]為空腔體，其底面板[22]按陣列式排列微射流沖擊孔[21]，孔的上方倒角[23]，上面板[25]排列有與底面板[22]微射流沖擊孔[21]相對(duì)應(yīng)的孔[27]，孔[27]內(nèi)裝有螺桿[26]，螺桿[26]的下端為與底面板[22]微射流沖擊孔[21]上方倒角[23]相對(duì)應(yīng)的球體[24]。
2.一種采用權(quán)利要求1所述裝置的攪拌摩擦焊接方法，其特征是，陣列式射流沖擊熱沉[18]置于攪拌頭[16]外圍，熱沉與攪拌頭之間的間距離為0~5mm，熱沉下端面[22]與被焊材料[11]表面之間的距離為3～15mm，熱沉與攪拌頭同步運(yùn)動(dòng)；攪拌頭旋轉(zhuǎn)插入被焊材料[11]至軸肩[20]完全接觸被焊材料表面時(shí)，開(kāi)啟控制閥門(mén)[9]將壓縮氣體以0.5～0.8MPa的壓力、冷卻介質(zhì)以10～35mm/min的流量通入霧化發(fā)生器[7]，霧化后的冷卻介質(zhì)經(jīng)射流沖擊熱沉[18]微射流沖擊孔[21]噴射到被焊材料[11]表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接的裝置，其特征是，調(diào)整螺桿的高度，開(kāi)啟或關(guān)閉微射流沖擊孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接的裝置，其特征是，陣列式射流沖擊熱沉[18]底面板按陣列式排列噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接的裝置，其特征是，陣列式射流沖擊熱沉[18]的形狀是半圓形或三角形或圓形或矩形。
全文摘要
一種采用陣列式射流沖擊熱沉的攪拌摩擦焊接的方法及裝置。該裝置包括有控制系統(tǒng)，冷卻介質(zhì)，壓縮氣體系統(tǒng)和熱沉。陣列式射流沖擊熱沉置于攪拌頭的外圍，陣列式射流沖擊熱沉為空腔體，其底面板按陣列式排列微射流沖擊孔，孔的上方倒角，上面板排列有與底面板微射流沖擊孔相對(duì)應(yīng)的孔，孔內(nèi)裝有螺桿，螺桿的下端為與底面板微射流沖擊孔上方倒角相對(duì)應(yīng)的球體。采用該裝置，陣列式射流沖擊熱沉置于攪拌頭外圍，熱沉與攪拌頭同步運(yùn)動(dòng)；霧化后的冷卻介質(zhì)經(jīng)射流沖擊熱沉微射流沖擊孔噴射到被焊材料表面。通過(guò)該方法可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的低應(yīng)力無(wú)變形焊接，可以提高攪拌摩擦焊接硬化態(tài)材料的接頭性能，并且可以對(duì)攪拌頭形成有效的冷卻。
文檔編號(hào)B23K20/26GK101028669SQ20071009789
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者李光, 李從卿, 欒國(guó)紅, 董春林, 柴鵬, 郭德倫 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所