本發(fā)明涉及摩擦焊接領(lǐng)域，提供了一種以激光外加能量為主熱源的新型復(fù)合摩擦焊接方法。

背景技術(shù)：

摩擦焊具有接頭質(zhì)量好、焊接尺寸精度高、綠色高效、適合焊接異種材料等獨特優(yōu)勢在航空航天、石油化工、電力電子、汽車工業(yè)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，摩擦焊是利用工件間相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱來實現(xiàn)焊接的，為了產(chǎn)生足夠的摩擦熱量，焊接過程會在工件間施加很大的壓力并產(chǎn)生很大的摩擦扭矩，從而焊接設(shè)備復(fù)雜而笨重，而對于焊件則有較高的強度和剛度要求。對于薄壁類的管狀、盤狀和片狀等截面積小的工件，會因卡具的夾持力和摩擦壓力而導(dǎo)致工件被壓扁、失穩(wěn)等現(xiàn)象，同時因截面積過小而不能產(chǎn)生足夠的摩擦熱，因而這類工件不太適合采用摩擦焊接。

受摩擦焊機主電機功率的限制，摩擦焊工件結(jié)合面尺寸難以大幅增加，針對這種不足，就有了感應(yīng)加熱摩擦焊，導(dǎo)電加熱摩擦焊，火焰加熱摩擦焊等輔助熱源的摩擦焊，這些輔助加熱方式雖然在一定程度上增加了接頭熱量，但缺點也很明顯：加熱區(qū)大，加熱區(qū)域不易控制，熱影響區(qū)軟化嚴重，操作不便，火焰加熱還可能使焊縫大量增碳。

摩擦焊雖然在異種材料連接領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢，但固有特性決定了其在進行以下材料焊接時仍存在很大困難：高溫強度高、塑形低、導(dǎo)熱性好的材料；物理性能差異大的異種材料，如不銹鋼-銅，硬質(zhì)合金-鋼等，活性金屬(如鈦、鋯)-鋼等；表面存在氧化膜或有鍍膜、滲層等；摩擦系數(shù)太小(如鑄鐵、黃銅等)的材料。

通常情況下摩擦焊都不能添加焊接材料，這對提高異種接頭質(zhì)量來說是一種缺憾，因為很多異種金屬需依靠中間添加材料來緩沖組織和性能的差異。

綜上，摩擦焊雖可獲得良好的接頭質(zhì)量和高的焊接效率，但由于其對焊接材料和焊接結(jié)構(gòu)的選擇性致使傳統(tǒng)摩擦焊的應(yīng)用范圍僅限于一些特定的行業(yè)和產(chǎn)品，應(yīng)用面嚴重受限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為彌補傳統(tǒng)摩擦焊的不足，本發(fā)明提供一種激光加熱摩擦焊接方法，基本原理是指利用激光加熱代替工件間的摩擦生熱，待工件表面達到一定的溫度后再接入摩擦焊的正常通道，通過摩擦壓力和摩擦扭矩使工件熱塑性層產(chǎn)生沿結(jié)合面的流動和機械挖掘作用，最后階段在頂鍛力作用下塑性金屬通過相互擴散和再結(jié)晶過程使兩側(cè)待焊工件牢固焊接在一起。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

一種激光加熱摩擦焊新方法，采用激光直接照射運動側(cè)工件待焊位置，使其表面快速升溫并處于熱塑性或表面微熔狀態(tài)，隨后靜止側(cè)工件對運動側(cè)工件進行擠壓和相互摩擦，高溫區(qū)塑性金屬發(fā)生塑性變形并沿結(jié)合面被擠出形成飛邊，原來結(jié)合面處的表層金屬、氧化膜和夾雜物被擠出，剩下的潔凈金屬在頂鍛力的作用下緊密接觸并經(jīng)界面擴散和再結(jié)晶形成有效連接。在整個焊接過程中對高溫區(qū)域金屬輔以惰性氣體保護，防止工件的高溫氧化。

與傳統(tǒng)摩擦焊技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢是：

焊接主要能量由激光提供，從而不受摩擦生熱對材料特性、工件形狀以及摩擦力大小的限制，可根據(jù)待焊工件材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形狀靈活設(shè)置激光加熱位置、加熱強度及加熱時間。與火焰加熱、感應(yīng)加熱以及電阻加熱相比，激光加熱功率密度高，加熱區(qū)域、強度精確可控。焊接時配合以激光功率、加熱面積、加熱時間和移動速度等加工參數(shù)，工件表面溫度和加熱厚度均高度可控。另外，還可通過將激光束整形成多光斑、異形光斑或采用振鏡掃描光束的方式實現(xiàn)大面積不同形狀的激光均勻加熱。從而理論上可以焊接截面很大的工件。

由于施加在工件上的摩擦壓力和頂鍛力較傳統(tǒng)摩擦焊大大減小，因而對于常規(guī)摩擦焊難以施焊的薄壁件，超小直徑管材、絲材；摩擦系數(shù)低、散熱速度快的材料；特殊材質(zhì)如高熔點、高淬透性的合金硬質(zhì)合金、粉末冶金、陶瓷、玻璃等性能差異很大的異種材料；表面有鍍層、滲層的材料；截面和形狀相差懸殊的管-板、棒-板、棒-棒、管-棒、絲-板等結(jié)構(gòu)和材料都可實現(xiàn)有效焊接。

工件在激光加熱過程中可能有局部熔化現(xiàn)象，但在摩擦和頂鍛過程中液相很快被擠出，真正實現(xiàn)連接的是后續(xù)處于熱塑性狀態(tài)的金屬，所以最終的連接實質(zhì)上依然保持摩擦焊的固相連接本質(zhì)，焊接接頭質(zhì)量高，不會產(chǎn)生與材料熔化和凝固相關(guān)的焊接缺陷。

該焊接方法由于激光加熱區(qū)體量小，焊接過程材料擠出量少，結(jié)合適當?shù)钠驴谛螤羁蓪崿F(xiàn)焊后小余量甚至無余量加工。

與傳統(tǒng)摩擦焊不能添加焊接材料相比，本發(fā)明提出的摩擦焊方法可在激光加熱階段往焊縫中加入多種形式的焊材(如粉末、絲材、箔、鍍滲層等)，為調(diào)控焊縫組織和性能提供了一條行之有效的通道。

總之，該發(fā)明提出的激光加熱摩擦焊接方法集成了激光加熱和摩擦焊的優(yōu)點而避免了各自的局限，該焊接方法具有焊接設(shè)備簡單、接頭質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高和綠色環(huán)保等明顯優(yōu)勢，該方法豐富和擴展了摩擦焊的內(nèi)容和種類，擴大了摩擦焊的應(yīng)用范圍，是一種應(yīng)用前景廣闊的新型固相焊接技術(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述典型激光加熱摩擦焊接方法及裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明所述典型單側(cè)(旋轉(zhuǎn)側(cè))激光加熱摩擦焊原理示意圖。

圖3為本發(fā)明所述帶保護氣裝置和端面激光加熱位置示意圖。

圖4為本發(fā)明所述四種不同的激光整形光斑圖。

圖5為本發(fā)明所述單激光雙側(cè)加熱反向旋轉(zhuǎn)摩擦焊原理示意圖。

圖6為本發(fā)明所述雙激光雙側(cè)加熱反向旋轉(zhuǎn)摩擦焊原理示意圖。

圖7為本發(fā)明所述利用工件自身坡口反射加熱摩擦焊示意圖。

圖8為本發(fā)明所述帶封底(鈍邊)的單側(cè)激光加熱摩擦焊示意圖。

圖9為本發(fā)明所述帶添加粉末材料的激光加熱摩擦焊示意圖。

圖10為本發(fā)明所述雙激光加熱摩擦焊示意圖。

圖11為本發(fā)明所述帶中間體的雙側(cè)激光加熱摩擦焊示意圖。

圖12為本發(fā)明所述振鏡掃描光束加熱線性摩擦焊示意圖。

圖13為本發(fā)明所述激光加熱摩擦焊效果圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式是按如下方式進行的：

1、對待焊管件的端面進行去氧化膜、污物處理直到工件表面露出金屬本色為止。

2、如圖1，將待焊工件件穩(wěn)固裝卡在卡盤上，工件1和工件2待焊端面預(yù)留1mm間隙，打開電源使工件1旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為500r/min，檢查工件同軸度、圓跳度。

3、如圖2，光束偏轉(zhuǎn)角(激光束與工件端面夾角)設(shè)置為20°，光斑大小為0.5mm²～40mm²之間，激光功率為1000W。如圖3，調(diào)整激光作用位置在圓環(huán)切線附近，在焊接區(qū)域設(shè)置氬氣保護，氣體流量為30L/min，氣體保護范圍為角向150°。

4、開啟激光加熱工件1～3s鐘，然后工件2以5m/min的速度對工件1進行擠壓并相互摩擦，摩擦壓力大小為1MPa，經(jīng)0.5s后停止旋轉(zhuǎn)同時施加5MPa的頂鍛力并保持3s。

5、待工件冷卻后剔除飛邊完成焊接。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：激光光斑形狀除圓形以外，還可以是多光斑、矩形光斑、弧形光斑等，如圖4，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一不同的是：一束激光同時加熱兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的工件1和工件2，如圖5，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三不同的是：激光束1加熱工件區(qū)，激光束2加熱工件2，如圖6，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式三相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式三不同的是：工件1和工件2均開斜坡口，坡口角度互補，角度大小在0°～60°之間，如圖7，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式三相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一不同的是：工件1和工件2旋轉(zhuǎn)方向相反，工件1開帶封底(鈍邊)坡口，鈍邊厚度在0.5～2之間，用在背面少飛邊或無飛邊的場合，如圖8，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一或具體實施方式二相同。

具體實施方式七：如圖9，本實施方式與具體實施方式一不同的是：在激光加熱的同時向工件端面噴送合金粉末，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一不同的是：在工件端面同時施加2～4束激光，如圖10是兩束激光的情況，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式九：如圖11所示，本實施方式與具體實施方式一不同的是：對于長徑比較大的工件，兩個工件均不便轉(zhuǎn)動，或工件1和工件2為異種材料，為提高焊縫性能而需要加過渡片狀材料的情況，采用在兩個工件間加中間體的方法，焊接時工件1和工件2不動，而中間體旋轉(zhuǎn)，激光加熱位置在中間體的兩個側(cè)面，中間體上可設(shè)置帶尖角凹槽結(jié)構(gòu)，便于焊完清除，其它步驟和參數(shù)與具體實施方式一或具體實施方式二相同。

具體實施方式十：如圖12所示，本實施方式與具體實施方式一不同的是：摩擦焊方法是線性摩擦焊，工件1運動方式是往復(fù)運動而不是旋轉(zhuǎn)運動，激光束加熱工件1和工件2待焊區(qū)是通過振鏡掃描加熱的方式而不是激光束靜止工件運動。

本發(fā)明技術(shù)方法不局限于以上所述具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。