專利名稱：一種載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于焊接技術領域，涉及載流攪拌摩擦焊的電流加載方式，同時還涉及載 流攪拌摩擦焊的電流加載設備。
背景技術：
攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所1991年發(fā)明的一項固相連接技術專利。其 過程是由一個圓柱體形狀的焊頭(攪拌針)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其 與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化達到塑性狀態(tài)，而且沿焊接方 向有相對的運動，塑性材料在攪拌針的機械攪拌作用下發(fā)生塑性流動，并在軸肩處的頂鍛 壓力下完成焊接的過程。目前，攪拌摩擦焊(FSW)在Al、Mg等低熔點的有色金屬的連接中已獲得成功的 應用；采用攪拌摩擦焊對高熔點金屬的焊接具有廣闊的應用前景，雖然對中高熔點金屬的 攪拌摩擦焊接方面取得了一定的研究進展，但是仍存在著較多尚未解決的問題。科研人員 發(fā)現(xiàn)對于普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金、甚至高溫合金等結構材料的固相連接應用方面并不理 想。究其原因，主要是這些金屬熔點高，硬度大，金屬組織內部的固溶顆粒、第二相粒子的阻 礙作用等使得僅僅靠機械力和摩擦的熱輸入不足以得到較好的塑性軟化組織，難以形成良 好的焊接接頭。現(xiàn)有發(fā)明專禾U“導電-攪拌摩擦復合熱源焊接方法及設備”(申請?zhí)?20071009974. 7)，其主要技術特征是在攪拌摩擦焊的同時，使攪拌頭和工件與焊機主體、固 定工件的夾具和工作臺絕緣，在工件焊縫方向上通以電流，電流與其流經的焊縫和摩擦攪 拌焊接區(qū)的接觸電阻產生電阻熱，該電阻熱與攪拌摩擦熱形成復合的攪拌摩擦焊焊接熱 源，完成對工件的焊接過程。這種新的復合焊接方法具有以下優(yōu)點(1)突破了攪拌摩擦焊 在焊件材料上的局限性，可以實現(xiàn)黑色金屬，鈦合金等高熔點的有色金屬及其合金結構材 料的焊接。(2)減少攪拌頭與高強度金屬的摩擦損耗，提高攪拌頭的使用壽命。(3)降低了 攪拌摩擦焊的工藝苛刻程度和要求條件，可以提高焊接速度和焊接質量，改善焊接接頭的 力學性能。然而此專利并沒有很明確地提出外加電源的種類、電流的加載方式。現(xiàn)有實用新型專利“一種電阻熱-攪拌摩擦復合焊接不銹鋼的裝置”(申請?zhí)?200820228426. 2)，其主要特征是將電源的兩個輸出端通過電纜與變壓器的輸入端相連， 變壓器的一個輸出端通過電纜與墊板連接，墊板用于放置被焊接工件，變壓器的另一個輸 出端通過電纜與電刷連接，電刷與位于攪拌頭上端凹槽內的銅環(huán)接觸，使變壓器形成的低 壓大電流通過攪拌針導入被焊工件上，產生電阻熱以及攪拌摩擦熱共同作用實現(xiàn)焊接過 程；此實用新型專利是在發(fā)明專利“導電-攪拌摩擦復合熱源焊接方法及設備”(申請?zhí)?20071009974. 7)之后申請的，而且此專利使用電刷，在電刷上很容易產生放電現(xiàn)象，不利于 焊接過程和焊接電流的調節(jié)控制，使用過程十分不安全，同時也可以造成電接觸不良，焊接 效果不佳；該實用新型專利局限于不銹鋼的焊接，對其他材料是否合適尚不明確。

發(fā)明內容
為了克服背景技術中的不足，本發(fā)明提供一種載流攪拌摩擦焊的電流加載方式。 通過這個外加電源的電流加載方式，能夠簡單、實用地把外加電流加載到工件的被焊接區(qū)， 實現(xiàn)電阻熱和摩擦熱的共同作用下的載流攪拌摩擦焊焊接過程。本發(fā)明的另一個目的就是提供一種載流攪拌摩擦焊的電流加載設備。本發(fā)明具體解決其技術問題所采用的技術方案如下本發(fā)明提供的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，在載流_攪拌摩擦焊接 過程中，在工件的攪拌摩擦焊接區(qū)通入電流而產生內生電阻熱和摩擦熱共同對接頭的工件 加熱實現(xiàn)焊接的電流加載方法及設備，將外加電源的正極(對交流電源就是一個輸出端) 接在并不旋轉的攪拌頭的外軸套肩上，將外加電源的負極(對交流電源就是另一個輸出 端)接在攪拌區(qū)下方的導電片上，被焊工件的底部設有絕緣片；外加電流流經的路線是電 源的正極(一個輸出端)一導電環(huán)扣一外軸套肩一攪拌頭一攪拌針一兩個被焊工件的攪拌 區(qū)一導電片一電源負極(另一個輸出端)；其外加電流設備由外軸套肩、攪拌頭、攪拌針、被 焊工件一、被焊工件二、導電片、絕緣片、工作臺、導電環(huán)扣、電纜線和電源組成；外加電流幅 值是攪拌摩擦焊接區(qū)的電流密度平均值為1. 2A/mm2-138A/mm2，外加電流頻率為5_420Hz， 占空比為35% -100%。本發(fā)明提供的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，所采用的外加電源是數(shù) 字式逆變電阻焊焊接電源，或者是數(shù)字式逆變弧焊焊接電源，或者是晶體管式弧焊電源，或 者是矩形波交流弧焊電源，或者是晶間管式弧焊電源，或者是其他能夠承受短路電流的直 流、或交流、或脈沖的低電壓大電流電源；所選用的導電片是具有一定厚度的、有一定強度 的、良好導電能力的材料，可以是銅片，也可以是鋁片，與電纜線和另一連接端都有良好的 電接觸，使電流能夠準確地通過攪拌區(qū)形成正確的導電回路；所選用的絕緣片是具有一定 硬度、強度和耐高溫的絕緣材料，能夠承受焊接過程中高溫、有足夠的強度并且保證完全絕 緣，是陶瓷材料，或金屬+高分子復合材料，或導熱金屬塊+高分子絕緣塊的復合體材料。本發(fā)明提供的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，外軸套肩不運動，攪拌 頭和攪拌針一起作旋轉運動；導電環(huán)扣安裝在離攪拌頭較近的位置，一端與電纜線相連，通 過固定螺栓與外軸套肩連接，保證良好的電接觸，使電源的電流能夠以較短的距離迅速導 入攪拌針；外軸套肩，攪拌頭，攪拌針都是能夠導電的材料，能夠順利把電流通過外軸套肩、 攪拌頭、攪拌針傳給兩個被焊材料的攪拌區(qū)，最后通過導電片經過電纜線回到電源的負極 而構成有效的電回路。本發(fā)明提供的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，被焊工件一、被焊工件 二是同種材料，或者是異種材料；被焊工件接頭是搭接接頭，或是對接接頭，或點焊接頭，或 角接頭。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下的顯著效果其一.本發(fā)明是一種簡單而又非常有效的電流加載方式及其設備，能夠實現(xiàn)簡單 有效地把外加電流加載在被焊工件的焊接區(qū)，不需要電刷等外加的特別裝置，能夠保證攪 拌頭既旋轉又導電，能夠保證在焊接區(qū)產生內生電阻熱，能夠形成正確和可靠的電流回路， 穩(wěn)定、可靠、有效、簡便地實現(xiàn)載流攪拌摩擦復合焊接過程，這是載流攪拌摩擦焊接技術的 關鍵之一。
其二.所加載的外加電源可以是常規(guī)的電阻焊、電弧焊焊接電源，有利于載流攪 拌摩擦復合焊的應用與推廣，并且實現(xiàn)了準確控制外加電流的大小，有利于對焊接熱輸入 的控制和調節(jié)。其三.所用設備簡單常見，成本較低，易于推廣。


附圖1是本發(fā)明搭接接頭的電流加載方式及其設備示意圖；附圖2是對接接頭的 電流加載方式及其設備示意圖。圖中，1-外軸套肩，2-攪拌頭，3-攪拌針，4-被焊工件一，5-被焊工件二，6-導電 片，7-絕緣片，8-工作臺，9-導電環(huán)扣，10-電纜線，11-電源。
具體實施例方式本發(fā)明主要包含一種載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，這是載流攪拌摩 擦焊接技術的關鍵內容之一。下面結合附圖1對本發(fā)明作進一步詳細說明。載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，在載流-攪拌摩擦焊接過程中，在工 件的攪拌摩擦焊接區(qū)通入電流而產生內生電阻熱和摩擦熱共同對搭接接頭的工件加熱實 現(xiàn)焊接的電流加載方法及設備，將外加電源11的正極接在并不旋轉的攪拌頭的外軸套肩1 上，將外加電源11的負極接在攪拌區(qū)下方的導電片6上，被焊工件的底部設有絕緣片7 ；外 加電流流經的路線是電源11正極一導電環(huán)扣9 —外軸套肩1 —攪拌頭2 —攪拌針3 —兩 個被焊工件的攪拌區(qū)一導電片6 —電源11負極；其外加電流設備由外軸套肩1、攪拌頭2、 攪拌針3、被焊工件一 4、被焊工件二 5、導電片6、絕緣片7、工作臺8、導電環(huán)扣9、電纜線10 和電源11組成；外加電流幅值是攪拌摩擦焊接區(qū)的電流密度平均值為1. 2A/mm2-138A/mm2, 外加電流頻率為5-420HZ，占空比為35% -100%。載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備包括外軸套肩1，攪拌頭2套于外軸套 肩1內，但是攪拌頭2旋轉時外軸套肩1不發(fā)生旋轉；攪拌頭2與攪拌針3 —起旋轉，當旋 轉速度達到一定范圍內，攪拌針3緩慢插入被焊工件一 4并且直插到被焊工件二 5的上表 面一定深度處。當攪拌頭上的軸肩與被焊工件一 4緊密接觸時，打開外加電源11上的開關， 并迅速把電流調到所需的范圍內，電流經過電源11正極(一個輸出端)出來，經過電纜線 10流向外軸套肩1上的導電環(huán)扣9，導電環(huán)扣9把電流傳導給外軸套肩1，然后電流一直往 下流，經過攪拌頭2，并且根據(jù)電流路線最短原理和最大電壓降原理，電流由攪拌頭2傳向 攪拌針3，然后再傳到攪拌針3下面的搭接被焊工1的被焊接區(qū)域，再由被焊工件1傳到被 焊工件2，由被焊工件2傳到導電片6。而導電片6下面的是絕緣片7，所以電流只能通過電 纜線10，流到外加電源11的負極(另一個輸出端)，完成電路中電流的流通。由于攪拌針3不斷旋轉，攪拌針3總是與被焊工件一 4處總是細密地接觸又分開 再接觸。根據(jù)接觸式電阻最大原理，在攪拌針3附近攪拌摩擦區(qū)電阻最大，產生大量的電阻 熱，在電阻熱和攪拌摩擦焊的共同作用下，使兩種被焊材料迅速達到熱塑性狀態(tài)，然后再攪 拌頭2的軸肩頂鍛力的作用下完成焊接過程。外軸套肩1、攪拌頭2與攪拌針3隨著攪拌摩 擦焊焊機的一起向前移動，完成載流攪拌摩擦焊接過程。
載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，所采用的外加電源11是數(shù)字式逆變 電阻焊焊接電源，或者是數(shù)字式逆變弧焊焊接電源，或者是晶體管式弧焊電源，或者是矩形 波交流弧焊電源，或者是晶間管式弧焊電源，或者是其他能夠承受短路電流的交直兩用電 源、或脈沖的低電壓大電流電源；所選用的導電片6是具有一定厚度的、有一定強度的、良 好導電能力的材料，可以是銅片，也可以是鋁片，與電纜線和另一連接端都有良好的電接 觸，使電流能夠準確地通過攪拌區(qū)形成正確的導電回路；所選用的絕緣片7是具有一定硬 度、強度和耐高溫的絕緣材料，能夠承受焊接過程中高溫、有足夠的強度并且保證完全絕 緣，是陶瓷材料，或金屬+高分子復合材料，或導熱金屬塊+高分子絕緣塊的復合體材料。載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，外軸套肩1不運動，攪拌頭2和攪拌針 3 —起作旋轉運動；導電環(huán)扣9安裝在離攪拌頭2較近的位置，一端與電纜線10相連，通過 固定螺栓與外軸套肩1連接，保證良好的電接觸，使電源11的電流能夠以較短的距離迅速 導入攪拌針3 ；外軸套肩1，攪拌頭2，攪拌針3都是能夠導電的材料，能夠順利把電流通過 外軸套肩1、攪拌頭2、攪拌針3傳給兩個被焊材料的攪拌區(qū)，最后通過導電片6經過電纜線 回到電源的負極而構成有效的電回路。載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，被焊工件一 4、被焊工件二 5是同種材 料，或者是異種材料；被焊工件接頭是搭接接頭，或是對接接頭，或點焊接頭，或角接頭。對于如圖1所示的搭接接頭其具體過程解釋如下，采用數(shù)字式逆變電阻焊電源 11，把電源調到所需電流的檔次；然后將電源的正極(一個輸出端)用電纜線10接到事先 準備的具有導電環(huán)扣9的外軸套肩1上；而將具有一定厚度和一定強度的絕緣片7 (如橡膠 塊)放于水平工作臺8上，然后將導電片6(如銅片)放于絕緣片7上面，然后把被焊工件 二 5、被焊工件一 4依次放好并采用夾持固定住。然后把導電片6用電纜線10接到電源的 負極(另一個輸出端)；然后開啟攪拌摩擦焊焊機，攪拌頭2和攪拌針3高速旋轉并緩慢插入被焊工件一 4 和被焊工件二 5，當攪拌頭2的軸肩與被焊工件一 4緊密結合后，開啟外加電源11開關，通 以電流，在攪拌摩擦焊接區(qū)由于內生電阻熱和攪拌摩擦熱共同作用下，使被焊工件一 4和 被焊工件二 5的焊接區(qū)達到熱塑性狀態(tài)，由于攪拌針3與兩個被焊工件之間相對運動，焊縫 處的材料產生的高溫粘塑性狀態(tài)在焊縫內部也產生相對運動，在熱激活作用下，這層呈高 溫粘塑性狀態(tài)的材料發(fā)生動態(tài)再結晶，使被焊工件一 4和被焊工件二 5通過相互擴散與再 結晶從而焊接在一起，實現(xiàn)了被焊工件的載流攪拌復合摩擦焊接過程。對于如圖2所示的對接接頭與如圖1所示的搭接接頭的原理相同，只是被焊工件 一 4和被焊工件二 5的空間裝配位置不同的區(qū)別。以下是發(fā)明人給出的具體的實施例，本發(fā)明不限于這些實施例。具體實施例1 焊接兩塊厚為3mm的304不銹鋼的對接接頭，攪拌頭為鎢合金鋼，軸肩直徑為 16mm，攪拌針長度為2. 9mm。采用本發(fā)明的搭接接頭的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其 設備，采用數(shù)字式逆變弧焊焊接電源作為外加電源，采用1.2mm厚的銅片作為導電片，無電 刷，以及5mm厚的絕緣膠木作為絕緣片，上面安放10mm的紫銅板與工件直接接觸。固定后 采用攪拌頭的旋轉速度為900r/min，焊接速度為60mm/min，輔助電流為直流860A，能夠得 到成型良好的焊接接頭。
具體實施例2 焊接兩塊厚為3mm的Q235鋼和2mm 304不銹鋼搭接接頭，攪拌頭為鎢合金鋼，軸 肩直徑為16mm，攪拌針長度為4mm。采用本發(fā)明的的搭接接頭的載流攪拌摩擦焊的電流加 載方式及其設備，采用數(shù)字式逆變電阻焊焊接電源作為外加電源，采用2mm厚的鋁片作為 導電片，無電刷，以及5mm厚陶瓷塊作為絕緣材料。將Q235鋼放在上面和304不銹鋼放在 下面，固定后采用攪拌頭的旋轉速度為1200r/min，焊接速度為55mm/min，輔助電流為脈沖 640A，頻率50Hz，占空比為60%，能夠得到成型良好的焊接接頭。
權利要求
一種載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，在載流-攪拌摩擦焊接過程中，在工件的攪拌摩擦焊接區(qū)通入電流而產生內生電阻熱和摩擦熱共同對接頭的工件加熱實現(xiàn)焊接的電流加載方法及設備，其特征在于將外加電源(11)的正極接在并不旋轉的攪拌頭的外軸套肩(1)上，將外加電源(11)的負極接在攪拌區(qū)下方的導電片(6)上，被焊工件的底部設有絕緣片(7)；外加電流流經的路線是電源(11)正極→導電環(huán)扣(9)→外軸套肩(1)→攪拌頭(2)→攪拌針(3)→兩個被焊工件的攪拌區(qū)→導電片(6)→電源(11)負極；其外加電流設備由外軸套肩(1)、攪拌頭(2)、攪拌針(3)、被焊工件一(4)、被焊工件二(5)、導電片(6)、絕緣片(7)、工作臺(8)、導電環(huán)扣(9)、電纜線(10)和電源(11)組成；外加電流幅值是攪拌摩擦焊接區(qū)的電流密度平均值為1.2A/mm2-138A/mm2，外加電流頻率為5-420Hz，占空比為35％-100％。
2.根據(jù)權利要求1所述的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，其特征在于所 采用的外加電源(11)是數(shù)字式逆變電阻焊焊接電源，或者是數(shù)字式逆變弧焊焊接電源，或 者是晶體管式弧焊電源，或者是矩形波交流弧焊電源，或者是晶間管式弧焊電源，或者是 其他能夠承受短路電流的交直兩用電源、或者脈沖的低電壓大電流電源；所選用的導電片(6)是具有一定厚度的、有一定強度的、良好導電能力的材料，可以是銅片，也可以是鋁片， 與電纜線和另一連接端都有良好的電接觸，使電流能夠準確地通過攪拌區(qū)形成正確的導電 回路；所選用的絕緣片(7)是具有一定硬度、強度和耐高溫的絕緣材料，能夠承受焊接過程 中高溫、有足夠的強度并且保證完全絕緣，是陶瓷材料，或金屬+高分子復合材料，或導熱 金屬塊+高分子絕緣塊的復合體材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，其特征在于外 軸套肩(1)不運動，攪拌頭(2)和攪拌針(3) —起作旋轉運動；導電環(huán)扣(9)安裝在離攪拌 頭(2)較近的位置，一端與電纜線(10)相連，通過固定螺栓與外軸套肩(1)連接，保證良好 的電接觸，使電源(11)的電流能夠以較短的距離迅速導入攪拌針⑶；外軸套肩(1)，攪拌 頭(2)，攪拌針(3)都是能夠導電的材料，能夠順利把電流通過外軸套肩(1)、攪拌頭(2)、攪 拌針(3)傳給兩個被焊材料的攪拌區(qū)，最后通過導電片(6)經過電纜線回到電源的負極而 構成有效的電回路。
4.根據(jù)權利要求1所述的載流攪拌摩擦焊的電流加載方式及其設備，其特征在于被 焊工件一(4)、被焊工件二(5)是同種材料，或者是異種材料；被焊工件接頭是搭接接頭，或 是對接接頭，或點焊接頭，或角接頭。
全文摘要
一種載流攪拌摩擦焊的電流加載方法及其設備，在載流-攪拌摩擦焊接過程中，采用獨特的電流加載方法，在工件的攪拌摩擦焊接區(qū)通入電流而產生內生電阻熱和攪拌摩擦熱，共同對工件接頭加熱、摩擦塑變而實現(xiàn)焊接的電流加載方法及設備。所述的焊接設備由外軸套肩(1)、攪拌頭(2)、攪拌針(3)、被焊工件、導電片(6)、絕緣片(7)、工作臺(8)、導電環(huán)扣(9)、電纜線(10)和電源(11)組成。本方法和設備具有如下的顯著效果1.簡單有效地把外加電流加載在被焊接區(qū)上，實現(xiàn)載流攪拌摩擦焊接。2.使攪拌摩擦焊可以方便用于黑色金屬、高溫合金等結構材料的焊接。3.提高攪拌頭的使用壽命和焊接效率。
文檔編號B23K20/12GK101850475SQ201010159818
公開日2010年10月6日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權日2010年4月29日
發(fā)明者羅鍵 申請人:重慶大學