一種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置及其細化晶粒的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬焊接技術領域，涉及一種攪拌摩擦焊裝置及其細化晶粒的方法， 具體涉及一種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置及其細化晶粒的方法。
【背景技術】
[0002] 攬摔摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute，簡稱TWI)于1991年研究發(fā)明的一種先進的固相連接技術。通過攪拌針和軸肩與 工件間的摩擦熱，在攪拌針的附近形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭高速旋轉的作用下填 充入攪拌針后方所形成的空腔內，從而實現(xiàn)可靠的連接，它具有焊接接頭強度高、焊接工件 變形小、不易廣生有害相等優(yōu)點。
[0003] 攪拌摩擦焊焊接過程中，被焊接材料產生劇烈的塑性變形，可實現(xiàn)焊接接頭組織 細化和均勻化，焊接過程中較低的熱循環(huán)作用，避免了氣孔、裂紋等熔焊缺陷的產生，減小 了組織粗化傾向，使焊接接頭具有較高的強度和韌性。但由于攪拌摩擦焊焊接過程中產生 了大量的摩擦熱和塑性變形熱，塑性變形后的細小晶粒容易長大變成粗晶組織，使焊接接 頭存在明顯的熱軟化效應，導致焊接接頭的強度仍低于母材，特別是鋼、鈦等高熔點材料焊 接時，最高溫度在l〇〇〇°C以上，攪拌頭往往是難溶性的貴重金屬合金材料或陶瓷材料，焊接 過程中，攪拌頭經受較大的機械力載、摩擦熱載及嚴重的磨損，攪拌頭容易失效，使壽命下 降，從而導致焊接成本大大提高，同時，高熔點材料焊接時，對焊接溫度敏感，攪拌摩擦焊可 焊性變差，較高的溫度也使焊縫組織在高溫下停留時間較長，晶粒更易長大變成粗晶組織， 焊接接頭塑性和強度均較差。因此，急需找到一種有效方法解決目前常規(guī)攪拌摩擦焊所面 臨的主要問題，以獲得晶粒細小，綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電磁輔助 攪拌摩擦焊裝置及其細化晶粒的方法，工藝簡單，成本低廉，焊接效率高，攪拌頭使用壽命 高，能使焊縫組織晶粒細化，綜合性能顯著提高。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0006] -種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置，包括位于焊接平臺16上方的攪拌頭1、與焊接平臺 16配合的壓板夾具49，以及跟焊接平臺16配套使用的冷卻系統(tǒng)30;
[0007] 所述攪拌頭1包括夾持部分2,夾持部分2下端開設有擋圈槽3,擋圈槽3下端9mm處 開設有M4mm定位螺紋孔8,擋圈槽3下端與最大外徑軸臺階7之間套裝有隔磁套6,隔磁套6- 側外壁開設有定位孔9,隔磁套6通過攪拌頭1最大外徑軸臺階7第一定位，隔磁套6上套裝有 強力磁鐵5,強力磁鐵5內徑與隔磁套6外徑緊配合，強力磁鐵5通過隔磁套6端部的套肩第一 定位，強力磁鐵5外徑至內徑開設有定位孔10，強力磁鐵5徑向定位孔10與M4mm定位螺紋孔8 和隔磁套6-側外壁開設的定位孔9三者中心線重合，采用M4mm不銹鋼螺釘擰緊使隔磁套6、 強力磁鐵5第二定位，強力磁鐵5上表面設有隔磁板4,緊靠隔磁板4的擋圈槽3里設有彈性擋 圈11壓緊隔磁板4,最大外徑軸臺階7下端為過渡圓柱13,過渡圓柱13下端為軸肩14,軸肩下 端為攪拌針15。
[0008] 所述攪拌針15為圓錐臺，小頭端朝下，圓錐臺錐度為1:1.35,小頭直徑為焊接材料 厚度0.9-1.1倍。
[0009] 所述焊接平臺16為兩側帶緊固耳的球墨鑄鐵平臺，焊接平臺16上表面設置有平行 于長度方向三道未開通的T型槽，中間T型槽17設在寬度中心線上，兩側T型槽18以中間T型 槽17對稱布置，兩側T型槽18最中間未開通，未開通區(qū)域作為待焊工件焊接工作區(qū)，焊接平 臺表面下方以長度中心線為對稱沿寬度方向開通兩個冷卻孔19,冷卻孔19兩端開設有螺紋 孔，螺紋孔裝有4個快速接頭，焊接平臺16底面在長度中心位置沿寬度方向開通矩形槽20， 矩形槽20內放置矩形管21，矩形管21 -端封閉，另一端兩側焊接兩個把手23,矩形管21內放 置徑向充磁強力磁鐵22。
[0010] 所述冷卻系統(tǒng)30包括循環(huán)風冷冷水機31，循環(huán)風冷冷水機31自帶有儲水箱32和水 栗35，儲水箱32上設有最高水位顯示窗33，循環(huán)風冷冷水機31出水管路37上設置有溫度顯 示裝置34,溫度顯示裝置34與出水管路37相連，出水管路37與流量調節(jié)裝置29相連，流量調 節(jié)裝置29設有2個出水41、2個回水42，共4個快速接頭，兩個出水快速接頭41通過PVC軟管43 與焊接平臺16-端的兩個冷卻孔19上設置的進水快速接頭相連，另兩個回水快速接頭42通 過PVC軟管44與焊接平臺16另一端的兩個冷卻孔上設置的出水快速接頭相連，PVC軟管耐壓 不小于0.6Mpa，耐溫不低于100°C。
[0011] 所述的隔磁套6為攪拌頭1上圓環(huán)形襯套，隔磁套6-端帶有套肩，另一端一側外壁 開設有定位孔9。
[0012] 所述的強力磁鐵5為釹鐵硼磁鐵，徑向充磁，表面鍍鉻，呈圓環(huán)狀，外徑至內徑之間 開設有定位孔10，
[0013]所述隔磁板4采用聚氯乙烯(PVC)或紙質材料制得，呈圓環(huán)狀，外徑和內徑尺寸與 所述強力磁鐵5尺寸一致，厚度1~1.5_。
[0014]本發(fā)明細化晶粒的方法是通過以下步驟實現(xiàn)的：
[0015]步驟一、安裝攪拌頭1，將帶有強磁鐵5的攪拌頭1夾持部分2裝入改造的X5032型升 降臺銑床旋轉主軸12夾持孔中夾緊；
[0016]步驟二、焊件24兩端加裝導線25,焊接前，將兩塊不留間隙對接焊工件24兩端離端 面2mm處、對接縫兩側10mm處鉆兩個5mm通孔，兩根導線25-端分別放置在工件24兩端對接 縫上，采用鉚接方法將導線25端部銅鼻子部分26鉚緊，兩根導線25另一端分別與外加直流 電源27正負極K1、K2連接，焊接時施加直流電流，電流方向與攪拌摩擦焊接方向一致；
[0017] 步驟三、焊件24清理，將待焊工件24對接縫兩側15mm~20mm范圍內，先用鋼絲刷清 理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干凈；
[0018]步驟四、焊件24固定，將焊接平臺16固定在所述改造的X5032型銑床升降臺28上， 然后將清理干凈的對接焊工件24放置在焊接平臺16的焊接工作區(qū)，工件對接縫與攪拌頭1 對正，保證焊接過程中，攪拌頭1不偏離對接縫中心，在對接焊工件24兩側，每側3個，用所述 壓板夾具49對稱夾緊，對稱壓板夾具49間距65mm，以不妨礙攪拌頭1上安裝的q)60mm強力 磁鐵旋轉5;
[0019]步驟五、放置矩形管21及管內強力磁鐵22,將所述矩形管21及管內強力磁鐵22放 入矩形槽20內，強力磁鐵22放置時與強力磁鐵5同名磁極相對，借助管端把手23,在焊接過 程中移動矩形管21，使矩形管21內強力磁鐵22隨著攪拌頭1沿著焊接方向同步移動;所述同 名磁極相對，即兩個N極相對或兩個S極相對，由于磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來進入S 極，同名磁極相對時，磁感線密集經過焊件對接縫，對接縫處表現(xiàn)出較強的磁場強度，由于 磁場的作用效果可以深入到原子、電子尺度，只要有電子的存在，就會產生一個細小的磁 場，外磁場可以通過對這種小磁場的作用，影響到原子運動和重組，并影響到位錯行為，從 而對材料塑性變形能力產生直接的影響，磁致塑性效應有利于輔助攪拌摩擦焊加速焊接材 料發(fā)生塑性變形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到細化晶粒的作用，焊接接頭綜合性能 得到顯著提高；
[0020] 步驟六、工藝參數(shù)選?。?br>[0021] (1)選取外加電壓、電流參數(shù):直流電壓為0V~3V，直流電流為100A~400A;
[0022] (2)選取焊接工藝參數(shù)：攪拌頭1旋轉速度為600r/min~1200r/min，焊接速度為 37.5mm/min~90mm/min，軸肩14壓入工件表面深度為0.15mm~0.2mm，當電壓、電流取上限 時，攪拌頭1旋轉速度取600r/min~950r/min，焊接速度取60mm/min~90mm/min，當電壓、電 流取下限時，攪拌頭1旋轉速度取950r/min~1200r/min，焊接速度取37.5mm/min~47.5mm/ min；
[0023]步驟七、啟動冷卻系統(tǒng)30:啟動前，先向冷卻系統(tǒng)30儲水箱31加水，加水量到儲水 箱32液位窗33最高點，約20~30L，確保焊接過程對焊接接頭的冷卻效果，加水后，連接管 路，啟動冷卻系統(tǒng)30，啟動后