專利名稱：流動摩擦焊接方法及其工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)，涉及一種適用于同種或異種熱塑性材料的連接(如對接、 搭接、點焊等)，同時適用于材料的晶粒細化加工以及工件缺陷修補的流動摩擦焊接方法及
其工具。
背景技術(shù)：
英國焊接研究所(The Welding Institute)發(fā)明的攪拌摩擦焊(FrictionStir Welding,簡稱FSW，美國專利NO. 5，460，317)，是一項固相連接技術(shù)。攪拌摩擦焊所用的工 具為攪拌頭，攪拌頭的主要結(jié)構(gòu)包括夾持柄(攪拌頭與動力系統(tǒng)的連接部分)、軸肩和攪拌 針。攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭旋轉(zhuǎn)并對工件施加攪拌頭軸線方向的頂鍛力，攪拌針首先 接觸到工件，攪拌針與工件間的摩擦和擠壓產(chǎn)生熱量，把攪拌針附近的材料加熱到塑性狀 態(tài)，保證攪拌針可以順利扎入工件。當(dāng)攪拌針完全扎入工件并且軸肩接觸到工件表面時，攪 拌頭停止軸向的運動并開始沿著焊縫方向移動，在攪拌針和軸肩對工件的摩擦、攪拌和擠 壓作用下形成固相連接的接頭。攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針扎入工件并回抽，因而會在工 件上留有一“匙孔”。攪拌摩擦焊接過程中，因為攪拌針的攪拌作用，接頭中易出現(xiàn)“S線”缺 陷、搭接界面畸變、未焊透缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在焊接工件表面不留“匙孔”的流動摩擦焊接方法及其 工具。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，流動摩擦焊接方法是將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并 以40 4000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈0 15°夾角與工件 表面接觸，接觸后流動摩擦工具對工件施加法向壓力0. 1 100KN，流動摩擦工具保持法向 壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留2 30秒之后，流動摩擦工具的運動方式為如下之一，(一 )流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊 接結(jié)束；( 二 )流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并保持流動摩擦工具對工件施加法向壓力0. 1 100KN,以10 1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具 向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。所述的流動摩擦工具對工件施加法向壓力與流動摩擦工具端面的直徑成正比。流動摩擦焊接方法所用的流動摩擦工具是，流動摩擦工具的摩擦頭端面開有槽， 槽的深度為0. 1 4mm，槽的形狀為如下之一，(一 )螺旋形，螺旋形槽為1 6條，螺旋形槽的螺旋方向與流動摩擦工具的旋轉(zhuǎn) 方向相反，螺旋形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形；( 二)放射形，放射形槽以端面上的一點為中心向流動摩擦工具端面邊緣放射，放 射形槽的放射軌跡為直線或圓弧線，放射形槽的橫截面為半圓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組合形。
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所述槽的深度相同或槽口與槽尾間在0. 1 4mm間漸變。流動摩擦焊接(Friction Flow Welding，簡稱FFW)，適用于熱塑性材料的連接。 流動摩擦焊接工具在外力的作用下旋轉(zhuǎn)，流動摩擦焊接工具沿著焊接工具軸線方向接近工 件，當(dāng)流動摩擦焊接工具的端面接觸到工件表面時，流動摩擦焊接工具停止軸線方向的運 動并對工件施加一軸向頂鍛力，通過流動摩擦焊接工具端面與工件間的摩擦產(chǎn)熱、工件材 料在流動摩擦焊接工具作用下的高應(yīng)變率大變形產(chǎn)生的熱量使工件材料塑化，同時旋轉(zhuǎn)運 動的流動摩擦焊接工具端面的槽結(jié)構(gòu)對塑化的工件材料施以拘束、驅(qū)動作用，使塑化的工 件材料在空間范圍內(nèi)流動形成一個塑性材料流動區(qū)，從而消除焊接界面并形成接頭。
本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果，流動摩擦焊接工具沒有伸入工件內(nèi)部、沒有對工 件內(nèi)部的材料進行攪拌，而是通過流動摩擦焊接工具端面與工件表面間的相互作用產(chǎn)生熱 量，使工件材料塑化。同時，流動摩擦焊接工具端面的槽結(jié)構(gòu)把大部分塑化的工件材料拘束 在流動摩擦焊接工具端面下方(也就是塑化的工件材料具有向流動摩擦工具端面中心運 動的趨勢)，聚集在流動摩擦焊接工具下方的塑化工件材料受到流動摩擦焊接工具端面的 驅(qū)動而產(chǎn)生流動，這種流動是三維空間內(nèi)的流動，塑性金屬流動的方向不僅包括平行于流 動摩擦頭端面的方向，還包括垂直于流動摩擦頭端面的方向。工件焊接界面處的材料發(fā)生 塑化并發(fā)生三維空間流動，從而焊接界面消失并形成固相接頭。流動摩擦焊接工具沒有伸 入工件內(nèi)部，因而本發(fā)明沒有攪拌摩擦焊中的“匙孔”，同時與攪拌摩擦焊完全不同的接頭 形成原理，使本發(fā)明具有攪拌摩擦焊不具備的諸多優(yōu)點，本發(fā)明是一種全新的固相連接技術(shù)，本發(fā)明在薄壁結(jié)構(gòu)件的點焊(如飛機蒙皮， 汽車蒙皮等)、異種材料點焊(如鋁銅、鋁鋼等)、高溫材料的點焊(鈦合金、不銹鋼等)、薄 壁結(jié)構(gòu)件的對接和搭接、工件表面缺陷修補、材料性能優(yōu)化、表面處理、復(fù)合材料的制備等 工程應(yīng)用領(lǐng)域有巨大潛力。


圖1是本發(fā)明流動摩擦頭示意圖；圖2是本發(fā)明流動摩擦頭端面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，A是槽結(jié)構(gòu)示意圖，B是槽的橫截 面示意圖；圖3是本發(fā)明流動摩擦工具端面多種不同槽形的示意圖；圖4是本發(fā)明流動摩擦工具槽的多種不同橫截面的示意圖。
具體實施例方式流動摩擦焊接方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以40 4000轉(zhuǎn)/分旋 轉(zhuǎn)，流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈0 15°夾角與工件表面接觸，接觸后流動 摩擦工具對工件施加法向壓力0. 1 100KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工 件上停留2 30秒之后，流動摩擦工具的運動方式為如下之一，(一 )流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊 接結(jié)束；( 二 )流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并保持流動摩擦工具對工件施加法向壓力0. 1 100KN,以10 1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。所述的流動摩擦工具對工件施加法向壓力與流動摩擦工具端面的直徑成正比。流動摩擦焊接方法所用的流動摩擦工具是，流動摩擦工具的摩擦頭端面開有槽， 槽的深度為0. 1 4mm，槽的形狀為如下之一，(一 )螺旋形，螺旋形槽為1 6條，螺旋形槽的螺旋方向與流動摩擦工具的旋轉(zhuǎn) 方向相反，螺旋形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形；( 二)放射形，放射形槽以端面上的一點為中心向流動摩擦工具端面邊緣放射，放 射形槽的放射軌跡為直線或圓弧線，放射形槽的橫截面為半圓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組合形。所述槽的深度相同或槽口與槽尾間在0. 1 4mm間漸變。如圖1所示，流動摩擦工具主要包括夾持柄1和流動摩擦頭端面2。夾持柄1的結(jié) 構(gòu)與攪拌摩擦焊攪拌頭的夾持柄結(jié)構(gòu)類似，起固定作用。流動摩擦頭端面2具有特殊的結(jié) 構(gòu)，其作用包括三方面與工件材料相互作用(摩擦作用、流動摩擦頭端面結(jié)構(gòu)使工件材料 發(fā)生高應(yīng)變率的大變形)產(chǎn)生熱量；對塑化的材料施加拘束作用，使大部分塑化材料聚集 在流動摩擦頭端面下方；驅(qū)動聚集在流動摩擦頭端面下方的塑性金屬在三維空間內(nèi)流動， 可實現(xiàn)這三方面功能的結(jié)構(gòu)均可作為流動摩擦頭的端面結(jié)構(gòu)。圖2為一種流動摩擦頭端面結(jié)構(gòu)實例，該端面結(jié)構(gòu)為一阿基米德螺旋槽。流動摩 擦頭端面結(jié)構(gòu)可通過端面結(jié)構(gòu)的宏觀形狀和槽的橫截面形狀兩個概念來描述。該實例的宏 觀形狀為阿基米德螺旋線狀，槽的橫截面形狀為半圓形。圖3是本發(fā)明流動摩擦工具端面結(jié)構(gòu)多種不同的宏觀形狀。包括多種螺旋形和放 射形和螺旋放射復(fù)合形。圖4是本發(fā)明流動摩擦工具端面槽的多種不同橫截面的示意圖。圖4中的任何一 種槽橫截面均可與圖3中的一種端面結(jié)構(gòu)宏觀形狀組合，得到一種流動摩擦頭端面結(jié)構(gòu)。實施例一流動摩擦點焊(FrictionFlow Spot Welding，簡稱 FFSW)點焊2mm厚的2524-T3鋁合金，流動摩擦頭直徑為①10mm,端面槽宏觀形狀為螺旋 形，2條螺旋線，槽的橫截面形狀為半圓形，槽深為0. 3mm，各處槽深相同。流動摩擦點焊方法是，將流動摩擦頭置于焊接設(shè)備上，并以400轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，流動 摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈0°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦工具對工 件施加法向壓力5KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留5秒之后，流 動摩擦工具向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。2mm厚2524鋁合金流 動摩擦點焊接頭內(nèi)部沒有缺陷，可承受的最大拉力超過6kN，拉伸試驗件的斷裂位置均在熱 機影響區(qū)。實施例二流動摩擦點焊點焊3mm厚的6082-T6鋁合金，流動摩擦頭直徑為①15mm,端面槽宏觀形狀為螺旋 形，3條螺旋線，槽的橫截面形狀為半圓形，槽的深度為槽口與槽尾間由0. 1 2mm線性漸 變。流動摩擦頭軸線的傾斜角度為3°，旋轉(zhuǎn)速度為2400轉(zhuǎn)/分，法向力為30KN，停留時間 為30秒。最終得到無缺陷3mm厚6082鋁合金流動摩擦點焊接頭。實施例三流動摩擦對接焊流動摩擦對接焊5mm厚6082-T6鋁合金，用直徑為0 20mm的流動摩擦頭，端面槽
5的宏觀形狀為螺旋形，四條螺旋線，槽深2mm等深度，槽的橫截面形狀為倒三角形。流動摩擦對接焊方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以2000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)， 流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈5°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦工具 對工件施加法向壓力100KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留6秒之 后，以IOOmm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動 使端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。流動摩擦對接焊5mm厚6082鋁合金接頭沒有缺陷，且 背彎180°后，接頭背面沒有裂紋。實施例四流動摩擦對接焊流動摩擦對接焊0. 3mm厚6061鋁合金，用直徑為Φ8mm的流動摩擦頭，端面槽的 宏觀形狀為圓弧放射形，3條放射線，槽深0. 15mm等深度，槽的橫截面形狀為半圓形。流動 摩擦頭軸線的傾斜角度為0.5°，旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分，法向力為0. 1KN，停留時間為5 秒后，以300mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成 焊接后，流動摩擦工具向上移 動使端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。最終得到無缺陷0. 3mm厚6061鋁合金流動摩擦點焊 接頭，且背彎180°后，接頭背面沒有裂紋。實施例五流動摩擦搭接焊流動摩擦搭接焊3mm厚2024-T351鋁合金，用直徑為Φ 12mm的流動摩擦頭，端面 槽的宏觀形狀為螺旋放射形，3條螺旋線由一個中心向外放射，槽深0. 5mm等深度，槽的橫 截面形狀為矩形。流動摩擦搭接焊方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以3500轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)， 流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈15°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦工 具對工件施加法向壓力50KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留10秒 之后，以600mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移 動使端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。流動摩擦搭接焊3mm厚2024-T351鋁合金接頭沒有 缺陷，接頭所承受的最大力超過15KN。實施例六流動摩擦搭接焊流動摩擦搭接焊1. 6mm厚TC4鈦合金，用直徑為Φ IOmm的流動摩擦頭，端面槽的 宏觀形狀為螺旋形，1條螺旋線，槽深0.3mm等深度，槽的橫截面形狀為半圓形。流動摩擦 頭軸線的傾斜角度為0°，旋轉(zhuǎn)速度為4000轉(zhuǎn)/分，法向力為30KN，停留時間為8秒后，以 300mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動使端面 離開工件上表面，焊接結(jié)束。最終得到1.6mm厚TC4鈦合金無缺陷流動摩擦搭接焊接頭。攪拌摩擦搭接焊過程中，普遍存在前進側(cè)的界面畸變和后退側(cè)的冷搭接，這些缺 陷本質(zhì)上就是弱連接，且伸入焊核，大大降低了接頭的有效連接寬度，在承受交變載荷時是 主要的裂紋源。流動摩擦搭接焊接頭界面畸變沒有伸入焊核內(nèi)部，沒有降低接頭的有效連 接寬度。實施例七流動摩擦焊缺陷修補(Friction Flow R印airing，簡稱FFR)流動摩擦焊缺陷修補鋁合金結(jié)構(gòu)件，用直徑為Φ 20mm的流動摩擦頭，端面槽的宏 觀形狀為螺旋形，2條螺旋線，槽深I(lǐng)mm等深度，槽的橫截面形狀為矩形。流動摩擦搭接焊方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以3000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)， 流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈1°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦工具對工件施加法向壓力60KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留2秒之 后，以600mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動 使端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。最終實現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)件表面缺陷的修補。實施例八流動摩擦焊材料加工(Friction Flow Processing，簡稱FFP)流動摩擦材料加工鋁合金，用直徑為。30mm的流動摩擦頭，端面槽的宏觀形狀為 放射形，6條放射線，槽深2 4mm從槽口到槽尾線性變深，槽的橫截面形狀為半圓形。流動摩擦材料加工的方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以40轉(zhuǎn)/分旋 轉(zhuǎn)，流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈10°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦 工具對工件施加法向壓力100KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留 15秒之后，以10mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上 移動使端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。流動摩擦焊接頭的晶粒比母材的細小，提高材料的 腐蝕性能、力學(xué)性能。流動摩擦焊接頭與母材腐蝕試驗結(jié)果顯示，母材已被腐蝕出凹坑，而 流動摩擦焊接頭仍保持完好。流動摩擦焊材料加工在材料性能優(yōu)化、表面處理(提高工件 表面的硬度、耐磨和疲勞性能、物理和化學(xué)性能)領(lǐng)域前景廣闊。實施例九流動摩擦材料加工制備復(fù)合材料流動摩擦材料加工制備復(fù)合材料，在鋁合金基體上布置小孔，小孔內(nèi)放置鎢粉，然 后進行流動摩擦焊。用直徑為①30mm的流動摩擦頭，端面槽的宏觀形狀為放射形，6條放射 線，槽深2 4mm從槽口到槽尾線性變深，槽的橫截面形狀為半圓形。流動摩擦頭軸線的傾 斜角度為5°，旋轉(zhuǎn)速度為3500轉(zhuǎn)/分，法向力為30KN，停留時間為8秒后，以1500mm/分 的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動使端面離開工件 上表面，焊接結(jié)束。經(jīng)過多次焊接，最終使鎢粉均勻分布在鋁合金基體內(nèi)得到新的材料。
權(quán)利要求
一種流動摩擦焊接方法，其特征是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以40～4000轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈0～15°夾角與工件表面接觸，接觸工件表面后流動摩擦工具對工件施加工件表面法向壓力0.1～100KN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留2～30秒之后，流動摩擦工具的運動方式為如下之一，(一)流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊接結(jié)束；(二)流動摩擦工具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并保持流動摩擦工具對工件施加法向壓力0.1～100KN，以10～1500mm/分的速度沿平行于工件表面方向運動，完成焊接后，流動摩擦工具向上移動，流動摩擦工具端面離開工件上表面，焊接結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流動摩擦焊接方法，其特征是，所述的流動摩擦工具對工件 施加的法向壓力與流動摩擦工具端面的直徑成正比。
3.—種權(quán)利要求1所述流動摩擦焊接方法的流動摩擦工具，其特征是，流動摩擦工具 的摩擦頭端面開有槽，槽的深度為0. 1 4mm，槽的形狀為如下之一，(一)螺旋形，螺旋形槽為1 6條，螺旋形槽的螺旋方向與流動摩擦工具的旋轉(zhuǎn)方向 相反，螺旋形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形；(二)放射形，放射形槽以端面上的一點為中心向流動摩擦工具端面邊緣放射，放射形 槽的放射軌跡為直線或圓弧線，放射形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流動摩擦工具，其特征是，所述的摩擦工具端面的槽是螺旋 形或放射形或螺旋放射組合形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流動摩擦工具，其特征是，所述槽的深度相同或槽口與槽尾 間在0. 1 4mm間漸變。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)，涉及一種適用于同種或異種熱塑性材料的連接、加工以及工件缺陷修補的流動摩擦焊接方法及其工具。本發(fā)明的焊接方法是，將流動摩擦工具置于焊接設(shè)備上，并以40～4000轉(zhuǎn)/分旋轉(zhuǎn)，流動摩擦工具的軸線與被焊接工件表面呈0～15°夾角與工件表面接觸，接觸后，流動摩擦工具對工件施加法向壓力0.1～100kN，流動摩擦工具保持法向壓力、持續(xù)旋轉(zhuǎn)并在工件上停留2～30秒之后進行焊接。本發(fā)明所用的流動摩擦工具的摩擦頭端面開有螺旋形或放射形槽。本發(fā)明流動摩擦焊接工具沒有伸入工件內(nèi)部，因而本發(fā)明沒有攪拌摩擦焊中的“匙孔”，本發(fā)明在點焊、搭接、對接、缺陷修補、材料加工等領(lǐng)域均可應(yīng)用。
文檔編號B23K20/26GK101875154SQ200910238020
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者李光, 欒國紅, 王衛(wèi)兵, 董春林 申請人:北京賽福斯特技術(shù)有限公司