CN106238901A - 一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法，本发明公开了的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的特点包括：在主机头不旋转的部位固定超声加工工具；焊接过程中，所述超声加工工具的端面与被焊材料的表面接触。通过本发明的方案可以有效去除残余应力，提高焊缝质量。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法
背景技术
搅拌摩擦焊是一项新型的固相连接技术，传统的搅拌摩擦焊利用高速旋转的搅拌工具与工件之间的摩擦使周围材料塑化，塑化材料在搅拌针与轴肩作用的区域内循环流动，而后在轴肩的模锻作用下冷却形成高质量焊缝。在焊接可热处理强化变形铝及铝合金时，由于焊缝晶粒焊接热循环，弥散分布的第二相发生聚集，材料过时效出现软化现象，因此搅拌摩擦焊后材料的抗拉强度降低，QJ20043中规定变形铝及铝合金焊后Ⅰ级焊缝抗拉强度达到母材的60%以上。上海航天制造总厂通过搅拌摩擦焊接过程控制与工艺优化，可热处理强化变形铝及铝合金焊后抗拉强度可达到母材强度的70%~75%。
可热处理强化变形铝及铝合金（如2219 T6 、2A14 C10S等）目前作为航天领域广泛应用的材料，因其接头区域焊后强度降低，目前采取的方法是局部增厚，来提升产品的承载能力，但与此同时也增加了运载火箭的重量。
超声波可以细化晶粒、降低残余应力，将超声波引入搅拌摩擦焊过程也得到关注，目前，国内外多家科研单位开展了超声辅助搅拌摩擦焊技术研究，目的主要是为了提高接头强度和降低残余应力，但其采用的方法均是将超声波集成至搅拌工具，这使得传统的搅拌摩擦焊设备主机头结构须更改，形成一套超声复合搅拌摩擦焊专机系统，工业上应用的推广难度较大；并且超声波。因而研究一种便携、可靠的超声辅助搅拌摩擦焊技术有其必要性。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术中缺少一种高效、便捷的提高搅拌摩擦焊接质量的方法；为解决所述问题，本发明提供一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法。
本发明提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具在主机头不旋转的部位固定超声加工工具；焊接过程中，所述超声加工工具的端面与被焊材料的表面接触。
进一步，所述超声加工工具端面为圆型，所述圆形的半径=搅拌工具轴肩外径+（0.1~0.3）mm。
本发明还提供采用所述超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的焊接方法，先进行搅拌摩擦焊；再进行超声辅助加工。超声加工工具通过预紧弹簧向被焊材料表面施加预紧力。
进一步，搅拌摩擦焊点工艺参数为主轴转速700~900r/min，焊接速度200~275mm/min，压入量0.2mm~0.4mm。
进一步，超声辅助加工的工艺参数为超声频率20kHz，超声振幅20μm~25μm。
本发明提供的方案可以直接把超声波施加在焊接表面，可以细化晶粒，降低残余应力，提高焊接质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接方法的试验验证方法示意图；
图3（a）为未进行超声加工的焊缝的形貌；（b）为采用本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接方法形成的焊缝形貌；
图4（a）为未进行超声加工的接头热影响区晶粒尺寸；（b）为采用本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接方法形成的接头热影响区晶粒尺寸的差异；
图5（a）为未进行超声加工的接头内孔洞型缺陷形态；（b）为采用本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接方法形成的接头内洞型缺陷形态；
图6（a）为未进行超声加工的接头内孔洞型缺陷形态；（b）为采用现有的将超声波集成到搅拌工具进行超声加工的接头内洞型缺陷形态。
具体实施方式
下文中，结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
如图1所示，本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具在主机头3不旋转的部位固定超声加工工具2；焊接过程中，所述超声加工工具2的端面与被焊材料1的表面接触。
继续参考图1，本发明中所采用的焊接方法为：施焊前，超声加工工具2固定于主机头3不旋转的部位，通过轴向、高度方向上的调整，使之紧随搅拌工具之后但不接触，共同沿焊接轨迹方向运动。焊接过程中，超声加工工具的端面与被焊材料1的表面接触，并通过预紧弹簧向被焊材料1表面施加一定的预紧力。为充分加工，所述超声加工工具端面为圆型，所述圆形的半径=搅拌工具轴肩外径+（0.1~0.3）mm。通过这种有效的接触方式，将超声波注入被焊材料。相对于现有技术把超声加工工具集成于搅拌摩擦工具，通过刀具将超声波传播到被焊材料，本发明所提供的方案将超声波直接作用于被焊材料，避免了界面损失，提高了能量传播效率，提高了修复效果。
采用本发明实现的搅拌摩擦焊接头，可热处理变形铝及铝合金焊缝力学性能提高不小于13%，残余应力降低35%以上。
在本发明的实施例中，搅拌摩擦焊点工艺参数为主轴转速700~900r/min，焊接速度200~275mm/min，压入量0.2mm~0.4mm。超声辅助加工的工艺参数为超声辅助加工的工艺参数为超声频率20kHz，超声振幅20μm~25μm。
图2为本发明实施例提供的超声辅助搅拌摩擦焊焊接方法的试验验证方法示意图，即在同一被焊材料上，左侧以本发明实施例提供的参数进行搅拌摩擦焊，在右侧以本发明实施例提供的参数进行搅拌摩擦焊，并按照本发明实施例提供的参数进行超声波加工；并对经过超声波加工和未经过超声波加工的被焊材料进行对比。
如图3所示，超声波注入以后，虽然焊缝均是由焊核区、热影响区、热机影响区组成，但是整个焊缝截面的形貌已产生较大的差异。所述的焊缝形成受到的影响主要是指焊缝形貌、晶粒尺寸以及缺陷形态的差异。施加超声后焊接热影响区的晶粒细化，孔洞型缺陷的截面积缩小。具体包括：
1）原本“圆碗”状的焊缝截面形态向“倒梯形”的形态转变和过渡；
2）超声波加入后，焊核区“洋葱环”的痕迹更加明显，材料流动能力增强；
3）超声波引入后，焊缝热影响区的宽度较传统搅拌摩擦焊宽度缩小。
4）采用超声复合搅拌摩擦焊后，焊缝飞边去除。
参照图4，表明了超声波起到了细化晶粒的效果，在同一试验条件下，施加超声波之前的焊缝热影响区晶粒尺寸约为150μm，施加超声波以后的焊缝热影响区晶粒尺寸约为70μm。
参照图5，同一试验条件下，超声波的注入使得孔洞型缺陷的体积缩小，表明了超声波确实起到了增加金属塑性流动性的作用，对形成致密的搅拌摩擦焊焊缝起到积极地作用。
综上，本发明提出了一种新型的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具和焊接方法，经验证，通过本发明所提供的方案，最终获得的搅拌摩擦焊焊缝焊后性能得到提升。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，在主机头不旋转的部位固定超声加工工具；焊接过程中，所述超声加工工具的端面与被焊材料的表面接触。
2.依据权利要求1所述的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，所述超声加工工具端面为圆型，所述圆形的半径=搅拌工具轴肩外径+（0.1~0.3）mm。
3.采用权利要求1所述的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的焊接方法，其特征在于，先进行搅拌摩擦焊；再进行超声辅助加工。
4.依据权利要求3所述的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的焊接方法，其特征在于，超声加工工具通过预紧弹簧向被焊材料表面施加预紧力。
5.依据权利要求3所述的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的焊接方法，其特征在于，搅拌摩擦焊工艺参数为主轴转速700~900r/min，焊接速度200~275mm/min，压入量0.2mm~0.4mm。
6.依据权利要求6所述的超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具的焊接方法，其特征在于，超声辅助加工的工艺参数为超声频率20kHz，超声振幅20μm~25μm。
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