專利名稱：電磁塑性攪拌摩擦焊焊具及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊焊具及方法，具體涉及一種用于電流輔助攪拌摩擦焊的絕緣焊具及利用該焊具實(shí)現(xiàn)的電磁塑性攪拌摩擦焊的方法。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊作為一種先進(jìn)的固相連接技術(shù)，自1991年由英國(guó)焊接研究所(TheWeldinglnstitute, TWI)發(fā)明以來，由于其具有焊接變形小、殘余應(yīng)力小，接頭質(zhì)量好、焊縫為細(xì)晶鍛造組織結(jié)構(gòu)，無需保護(hù)氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時(shí)具有焊接操作簡(jiǎn)單、便于自動(dòng)化焊接、焊接效率高等特點(diǎn)，攪拌摩擦焊已經(jīng)在航天、航空、造船、列車、汽車、電力等多個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。雖然攪拌摩擦焊有諸多優(yōu)點(diǎn)，然而攪拌摩擦焊接頭仍存在殘余應(yīng)力，使接頭耐應(yīng)力腐蝕性能降低，同時(shí)接頭表層孔洞的產(chǎn)生也會(huì)降低接頭力學(xué)性能。同時(shí)攪拌摩擦焊對(duì)材料要求較高，焊接性較差，難以焊接高強(qiáng)鋼以及鈦合金，所得到的接頭塑性較低，容易產(chǎn)生焊接裂紋。在金屬塑性變形時(shí)，如果在材料變形方向輔助以電流，電流會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)施加電子風(fēng)力作用，從而促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及促進(jìn)材料塑性變形，這個(gè)現(xiàn)象稱為電塑性現(xiàn)象。電致塑性主要應(yīng)用于超塑性領(lǐng)域，國(guó)外已有相關(guān)研究表明，電致塑性效應(yīng)可有效降低變形工件殘余應(yīng)力，減少孔洞缺陷，同時(shí)亦可細(xì)化晶粒，提高材料塑性與強(qiáng)度。同時(shí)電流密度存在臨界值，約為106A/m2，只有超過臨界值，電子風(fēng)力才可以有效推動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有攪拌摩擦焊接頭存在殘余應(yīng)力，孔洞缺陷，焊接性較差的問題，提供一種電磁塑性攪拌摩擦焊焊具及其方法。電磁塑性攪拌摩擦焊焊具包括夾持體、攪拌體、強(qiáng)磁鐵和2 8個(gè)條形磁鐵，所述夾持體由上圓柱體和下圓柱體組成，上圓柱體的直徑小于下圓柱體的直徑，上圓柱體與下圓柱體上、下同軸設(shè)置且制成一體，上圓柱體的外表面上設(shè)有焊具夾持面，下圓柱體的外表面上設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形隔熱槽，所述下圓柱體的下端面軸心處設(shè)有夾持孔，夾持孔對(duì)應(yīng)的下圓柱體側(cè)壁上設(shè)有垂直于下圓柱體軸線的螺紋通孔，攪拌體由攪拌針、攪拌針座、條形磁鐵座和連接體組成，連接體、條形磁鐵座、攪拌針座和攪拌針由上至下依次同軸設(shè)置且制成一體，連接體的直徑小于條形磁鐵座的直徑，攪拌針和攪拌針座均為錐形體，且錐形體的小直徑端朝下，連接體的外表面上對(duì)稱設(shè)有攪拌針夾持面，連接體的上端面的軸心處設(shè)有強(qiáng)磁鐵槽，條形磁鐵座的外表面上沿同一圓周均布設(shè)有2 8個(gè)條形磁鐵槽，強(qiáng)磁鐵設(shè)置在強(qiáng)磁鐵槽中，2 8個(gè)條形磁鐵分別設(shè)置在2 8個(gè)條形磁鐵槽中，連接體設(shè)置在夾持孔中，且攪拌針夾持面與螺紋通孔正對(duì)，連接體與夾持孔之間設(shè)有縫隙。本發(fā)明的方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、安裝焊具將絕緣紙包裹在連接體上，將連接體裝入夾持孔中，將強(qiáng)磁鐵安裝在強(qiáng)磁鐵槽中，條形磁鐵分別設(shè)置在條形磁鐵槽內(nèi)；
步驟二、施加電流被焊工件對(duì)接處的兩端端面處各貼有一個(gè)導(dǎo)電片，將外加電源的正負(fù)極分別接在兩端的導(dǎo)電片上，電流方向應(yīng)與攪拌摩擦焊接方向一致；步驟三、電流大小確定所選定電流大小需使通過工件的電流密度大于電致塑性的臨界值106A/m2，同時(shí)將工件電阻熱功率控制在100W以下，設(shè)被焊工件長(zhǎng)lm、寬am、厚bm,則電流最小值為106abA,設(shè)工件電阻率為P，電流占空比為k，根據(jù)公式R= Pl/ab算得工件電阻，則工件電阻熱功率P = kI2R，電流最大值不得使工件電阻熱功率大于100W，則電流最大值為
(100ab/l P k)1/2 ；步驟四、選取攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊速當(dāng)電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為300rmp 1200rmp>焊速為0. 3m/min 1. 6m/min,當(dāng)電流為下限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為600rmp 1500rmp、焊速為 0. lm/min 0. 8m/min。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)一、電磁塑性攪拌摩擦焊與攪拌摩擦焊一樣，同屬于固相連接，焊接過程中不出現(xiàn)金屬熔化，焊縫殘余應(yīng)力低、工件變形小，電磁輔助提高了材料塑性，進(jìn)而提高了材料攪拌摩擦焊的焊接性，有利于消除焊接缺陷，提高接頭的性能，延長(zhǎng)其使用壽命。二、利用本發(fā)明的焊具使用十分靈活，攪拌體可拆卸，便于焊接不同尺寸厚度鋁板，滿足不同的工藝需求。三、本發(fā)明方法與電阻熱輔助攪拌摩擦焊不同，本方法嚴(yán)格限制電阻熱作用，利用內(nèi)部的電子風(fēng)力作用對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生促進(jìn)作用，從而提高材料塑性。本發(fā)明方法在電致塑性原理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。而對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來說，其中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于脈沖電流，使電子風(fēng)力取向瞬時(shí)多樣化，從而最大程度的推動(dòng)位錯(cuò)滑動(dòng)，對(duì)位錯(cuò)堆積，阻塞，纏結(jié)的改善作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖電流的定向電子風(fēng)力作用。同時(shí)，引入電磁場(chǎng)，可降低電流所需臨界值，使電塑性效果更明顯。同時(shí)，磁場(chǎng)不斷變化的，在鋁合金塑性變形過程中，會(huì)產(chǎn)生渦流，由于磁場(chǎng)高速旋轉(zhuǎn)變化，產(chǎn)生的渦流方向亦瞬時(shí)改變，由渦流產(chǎn)生的電子風(fēng)力對(duì)位錯(cuò)的作用比定向脈沖電流理想。綜上所述，旋轉(zhuǎn)變化磁場(chǎng)對(duì)塑性變形有著雙重作用，在對(duì)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)力的作用同時(shí)，感應(yīng)出渦流，不斷變化的渦流與電子風(fēng)力一起，共同作用與位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)。電磁結(jié)合作用下的電子風(fēng)力是瞬時(shí)改變，可以使位錯(cuò)沿著取向最優(yōu)的滑移面滑移。


圖1是本發(fā)明電磁塑性攪拌摩擦焊焊具的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖2是夾持體I的結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖3是攪拌體2的結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖4是攪拌針2-1和攪拌針座2-2的結(jié)構(gòu)主視圖；圖5是電磁塑性攪拌摩擦焊接過程示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1 圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括夾持體1、攪拌體2、強(qiáng)磁鐵3和2 8個(gè)條形磁鐵4，所述夾持體I由上圓柱體1-1和下圓柱體1-2組成，上圓柱體1-1的直徑小于下圓柱體1-2的直徑，上圓柱體1-1與下圓柱體1-2上、下同軸設(shè)置且制成一體，上圓柱體1-1的外表面上設(shè)有焊具夾持面1-1-1，下圓柱體1-2的外表面上設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形隔熱槽1-2-1，所述下圓柱體1-2的下端面軸心處設(shè)有夾持孔1-2-2，夾持孔1-2-2對(duì)應(yīng)的下圓柱體1-2側(cè)壁上設(shè)有垂直于下圓柱體1-2軸線的螺紋通孔1-2-3，攪拌體2由攪拌針2-1、攪拌針座2-2、條形磁鐵座2-3和連接體2-4組成，連接體2_4、條形磁鐵座2-3、攪拌針座2-2和攪拌針2-1由上至下依次同軸設(shè)置且制成一體，連接體2-4的直徑小于條形磁鐵座2-3的直徑，攪拌針2-1和攪拌針座2-2均為錐形體，且錐形體的小直徑端朝下，連接體2-4的外表面上對(duì)稱設(shè)有攪拌針夾持面2-4-1，連接體2-4的上端面的軸心處設(shè)有強(qiáng)磁鐵槽2-4-2，條形磁鐵座2-3的外表面上沿同一圓周均布設(shè)有2 8個(gè)條形磁鐵槽2-3-1，強(qiáng)磁鐵3設(shè)置在強(qiáng)磁鐵槽2-4-2中，2 8個(gè)條形磁鐵4分別設(shè)置在2 8個(gè)條形磁鐵槽2-3-1中，連接體2-4設(shè)置在夾持孔1-2-2中，且攪拌針夾持面2-4-1與螺紋通孔1-2-3正對(duì)，連接體2-4與夾持孔1-2-2之間設(shè)有縫隙1-2-4。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的條形磁鐵槽2-3-1的數(shù)量與條形磁鐵4的數(shù)量相同。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的條形磁鐵4的數(shù)量為4個(gè)。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的條形磁鐵4的數(shù)量為6個(gè)。其它步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式的縫隙1-2-4為1. 5mm 3mm。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式的夾持體I的材質(zhì)為高速鋼。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖1和圖5具體說明本實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)步驟步驟一、安裝焊具將絕緣紙包裹在連接體2-4上，將連接體2-4裝入夾持孔1-2-2中，絕緣紙或絕緣介質(zhì)可以保證施加電流過程中不對(duì)焊機(jī)造成干擾與損害；將強(qiáng)磁鐵3安裝在強(qiáng)磁鐵槽2-4-2中，條形磁鐵4分別設(shè)置在條形磁鐵槽2-3-1內(nèi)，強(qiáng)磁鐵3的設(shè)置使得在焊具旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于脈沖電流，使電子風(fēng)力取向瞬時(shí)多樣化，降低電流所需臨界值，使電塑性效果更明顯，從而推動(dòng)位錯(cuò)滑動(dòng)；步驟二、施加電流被焊工件對(duì)接處的兩端端面處各貼有一個(gè)導(dǎo)電片5，將外加電源6的正負(fù)極分別接在兩端的導(dǎo)電片5上，電流方向應(yīng)與攪拌摩擦焊接方向一致；以保證電子風(fēng)力對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生最大的作用，從而最大程度提高材料塑性與強(qiáng)度；步驟三、電流大小確定所選定電流大小需使通過工件的電流密度大于電致塑性的臨界值106A/m2，同時(shí)將工件電阻熱功率控制在100W以下，以避免過強(qiáng)的熱效應(yīng)對(duì)材料性能產(chǎn)生不良影響；設(shè)被焊工件長(zhǎng)lm、寬am、厚bm,則電流最小值為106abA,設(shè)工件電阻率為P，電流占空比為k，根據(jù)公式R= Pl/ab算得工件電阻，則工件電阻熱功率P = kI2R，電流最大值不得使工件電阻熱功率大于100W，則電流最大值為
(100ab/l P k)1/2 ；例如被焊工件為招板,假設(shè)被焊工件長(zhǎng)1000mm、寬200mm、厚3mm,則電流最小值為600A，攪拌摩擦焊接環(huán)境溫度約為400°C 500°C，其電阻率P約為9X10_5Q .mm,假設(shè)電流占空比為50%，則根據(jù)公式(100ab/lpk)1/2算得電流最大值為1154A。根據(jù)工件材質(zhì)尺寸不同，可按上述公式計(jì)算相應(yīng)電流大小。步驟四、選取攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊速當(dāng)電流取上限(電流最大值)時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為300rmp 1200rmp、焊速為0. 3m/min 1. 6m/min,當(dāng)電流為下限(電流最小值)時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為600rmp 1500rmp、焊速為0. lm/min 0. 8m/min。攪拌頭轉(zhuǎn)速越大，內(nèi)置旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)電流的作用越強(qiáng)，但同時(shí)應(yīng)注意轉(zhuǎn)速過高時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生渦流加熱效應(yīng)。電流較大時(shí)，電子風(fēng)力作用較強(qiáng)，材料變形容易，可焊性提高，攪拌頭轉(zhuǎn)速可選擇范圍較大，但同時(shí)應(yīng)注意避免熱效應(yīng)過強(qiáng)，可采取提高焊速降低轉(zhuǎn)速的方法。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為500rmp、焊速為1. 5m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rmp、焊速為0. 6m/min。其它步驟與具體實(shí)施方式
七相同。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rmp、焊速為0. 8m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為lOOOrmp、焊速為0. 5m/min。其它步驟與具體實(shí)施方式
七相同。
具體實(shí)施方式
十結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式為步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為lOOOrmp、焊速為0. 5m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為1200rmp、焊速為0. 3m/min。其它步驟與具體實(shí)施方式
七相同。
權(quán)利要求
1.一種電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，所述焊具包括夾持體(I)、攪拌體(2)、強(qiáng)磁鐵(3) 和2 8個(gè)條形磁鐵(4)，所述夾持體(I)由上圓柱體(1-1)和下圓柱體(1-2)組成，上圓柱體(1-1)的直徑小于下圓柱體(1-2)的直徑，上圓柱體(1-1)與下圓柱體(1-2)上、下同軸設(shè)置且制成一體，上圓柱體(1-1)的外表面上設(shè)有焊具夾持面(1-1-1)，下圓柱體(1-2) 的外表面上設(shè)有至少一個(gè)環(huán)形隔熱槽(1-2-1)，其特征在于所述下圓柱體(1-2)的下端面軸心處設(shè)有夾持孔(1-2-2)，夾持孔(1-2-2)對(duì)應(yīng)的下圓柱體(1-2)側(cè)壁上設(shè)有垂直于下圓柱體(1-2)軸線的螺紋通孔(1-2-3)，攪拌體(2)由攪拌針(2-1)、攪拌針座(2-2)、條形磁鐵座(2-3)和連接體(2-4)組成，連接體(2-4)、條形磁鐵座(2-3)、攪拌針座(2_2) 和攪拌針(2-1)由上至下依次同軸設(shè)置且制成一體，連接體(2-4)的直徑小于條形磁鐵座 (2-3)的直徑，攪拌針(2-1)和攪拌針座(2-2)均為錐形體，且錐形體的小直徑端朝下，連接體(2-4)的外表面上對(duì)稱設(shè)有攪拌針夾持面(2-4-1)，連接體(2-4)的上端面的軸心處設(shè)有強(qiáng)磁鐵槽(2-4-2)，條形磁鐵座(2-3)的外表面上沿同一圓周均布設(shè)有2 8個(gè)條形磁鐵槽(2-3-1)，強(qiáng)磁鐵(3)設(shè)置在強(qiáng)磁鐵槽(2-4-2)中，2 8個(gè)條形磁鐵(4)分別設(shè)置在 2 8個(gè)條形磁鐵槽(2-3-1)中，連接體(2-4)設(shè)置在夾持孔(1-2-2)中，且攪拌針夾持面 (2-4-1)與螺紋通孔(1-2-3)正對(duì)，連接體(2-4)與夾持孔(1_2_2)之間設(shè)有縫隙(1_2_4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，其特征在于所述條形磁鐵槽 (2-3-1)的數(shù)量與條形磁鐵(4)的數(shù)量相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，其特征在于所述條形磁鐵(4)的數(shù)量為4個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，其特征在于所述條形磁鐵(4的數(shù)量為6個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，其特征在于所述縫隙(1-2-4) 為1. 5mm 3mmη
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述電磁塑性攪拌摩擦焊焊具，其特征在于所述夾持體(I)的材質(zhì)為聞速鋼。
7.一種利用權(quán)利要求1所述焊具實(shí)現(xiàn)電磁塑性攪拌摩擦焊的方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、安裝焊具將絕緣紙包裹在連接體(2-4)上，將連接體(2-4)裝入夾持孔 (1-2-2)中，將強(qiáng)磁鐵(3)安裝在強(qiáng)磁鐵槽(2-4-2)中，條形磁鐵(4)分別設(shè)置在條形磁鐵槽(2-3-1)內(nèi)；步驟二、施加電流被焊工件對(duì)接處的兩端端面處各貼有一個(gè)導(dǎo)電片(5)，將外加電源(6)的正負(fù)極分別接在兩端的導(dǎo)電片(5)上，電流方向應(yīng)與攪拌摩擦焊接方向一致；步驟三、電流大小確定所選定電流大小需使通過工件的電流密度大于電致塑性的臨界值106A/m2，同時(shí)將工件電阻熱功率控制在100W以下，設(shè)被焊工件長(zhǎng)lm、寬am、厚bm,則電流最小值為106abA,設(shè)工件電阻率為P，電流占空比為k，根據(jù)公式R= P Ι/ab算得工件電阻，則工件電阻熱功率P = kI2R，電流最大值不得使工件電阻熱功率大于100W，則電流最大值為(IOOab/ I P k)1/2 ；步驟四、選取攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊速當(dāng)電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為300rmp 1200rmp、焊速為O. 3m/min 1. 6m/min,當(dāng)電流為下限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為600rmp 1500rmp、焊速為O.lm/min O. 8m/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述電磁塑性攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為500rmp、焊速為1. 5m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rmp、焊速為 O. 6m/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述電磁塑性攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rmp、焊速為O. 8m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為lOOOrmp、焊速為 O. 5m/min。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述電磁塑性攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟四中的電流取上限時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速為lOOOrmp、焊速為O. 5m/min,電流取下限時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速為1200rmp、 焊速為O. 3m/min。
全文摘要
電磁塑性攪拌摩擦焊焊具及其方法，它涉及一種攪拌摩擦焊焊具及方法，以解決現(xiàn)有攪拌摩擦焊接頭存在殘余應(yīng)力，孔洞缺陷，焊接性較差的問題。焊具2～8個(gè)條形磁鐵分別設(shè)置在2～8個(gè)條形磁鐵槽中，連接體與夾持孔之間設(shè)有縫隙。方法一、將絕緣紙包裹在連接體上，將連接體裝入夾持孔中，強(qiáng)磁鐵設(shè)置在強(qiáng)磁鐵槽中，條形磁鐵設(shè)置在條形磁鐵槽內(nèi)；二、被焊工件對(duì)接處的兩端端面處各貼有一個(gè)導(dǎo)電片，將外加電源的正負(fù)極分別接在兩端的導(dǎo)電片上；三、電流大小需使通過工件的電流密度大于電致塑性的臨界值106A/m2，工件電阻熱功率控制在100W以下，四、電磁塑性攪拌摩擦焊。本發(fā)明用于鋁合金、鎂合金、銅合金以及異種材料的攪拌摩擦焊接中。
文檔編號(hào)B23K20/26GK103028838SQ20121055195
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者黃永憲, 劉昊舒, 呂世雄, 萬龍, 劉會(huì)杰, 馮吉才 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)