本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊接與成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱源輔助復(fù)合式雙軸無(wú)針動(dòng)態(tài)攪拌摩擦焊接方法。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦焊(fsw)是一項(xiàng)固相焊接技術(shù)，最初用于低熔點(diǎn)金屬(如鋁合金和鎂合金等)的連接，由于在fsw過(guò)程中沒(méi)有材料的熔化，所以該技術(shù)可避免傳統(tǒng)熔化焊中常見(jiàn)的裂紋、氣孔和變形等問(wèn)題，并且對(duì)操作和設(shè)備要求較低。雖然對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)的研究已越來(lái)越深入，但該技術(shù)仍存在不足之處。

攪拌摩擦焊接主要通過(guò)攪拌頭對(duì)工件的攪拌，依靠摩擦生熱使工件接縫周圍的金屬被加熱到塑性狀態(tài)實(shí)現(xiàn)工件的連接，焊接過(guò)程需要通過(guò)攪拌頭施加較大的壓緊力和攪拌頭向前運(yùn)動(dòng)的力。因此，在攪拌摩擦焊特殊的高溫環(huán)境下，焊接熔點(diǎn)較高的金屬材料時(shí)，攪拌頭磨損較為嚴(yán)重且設(shè)備一般比較笨重和復(fù)雜。另外，焊接熔點(diǎn)高、厚度大的材料時(shí)，焊接速度往往較低。焊接時(shí)，待焊工件需要?jiǎng)傂怨潭ǎ瑢?duì)設(shè)備裝夾要求較高，焊縫的背面需要加墊板進(jìn)行剛性支撐，焊后獲得的焊縫末端會(huì)形成匙孔缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種熱源輔助復(fù)合式雙軸無(wú)針動(dòng)態(tài)攪拌摩擦焊接方法，可以使焊接作用力減小，減輕攪拌頭的磨損，極大的延長(zhǎng)攪拌頭的壽命；簡(jiǎn)化焊接設(shè)備和夾具安裝要求，實(shí)現(xiàn)大厚度工件的攪拌摩擦焊接，提高焊接速率，減少焊接缺陷，避免焊后形成匙孔，提高焊接接頭的強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種熱源輔助復(fù)合式雙軸無(wú)針動(dòng)態(tài)攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟：

1)待焊工件的裝夾：將第一待焊工件1和第二待焊工件2通過(guò)負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3、正極動(dòng)態(tài)夾持頭4、第一導(dǎo)向預(yù)緊輪5和第二導(dǎo)向預(yù)緊輪6裝夾固定在焊接工作臺(tái)上，使第一待焊工件1和第二待焊工件2只能隨焊接工作臺(tái)沿接縫方向移動(dòng)；第一待焊工件1和第二待焊工件2之間為無(wú)間隙對(duì)接，第一導(dǎo)向預(yù)緊輪5和第二導(dǎo)向預(yù)緊輪6需要進(jìn)行絕緣處理；

2)待焊工件的預(yù)熱：正極動(dòng)態(tài)夾持頭4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3通過(guò)導(dǎo)線11和直流開(kāi)關(guān)電源10連接形成閉合電流回路，直流開(kāi)關(guān)電源10上電，電流流過(guò)待焊工件內(nèi)部產(chǎn)生電阻熱，使第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫處的金屬材料軟化，直流開(kāi)關(guān)電源10提供500～3000a的電流，電壓為3～20v；

3)攪拌摩擦焊接：高速旋轉(zhuǎn)的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側(cè)，壓入深度為0.1～1mm，使接縫處的金屬組織在軸肩a和葉片狀刀刃c的攪拌摩擦作用下達(dá)到塑化狀態(tài)，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的轉(zhuǎn)速為500～2000轉(zhuǎn)/分鐘；同時(shí)，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8上連接的超聲波激振器9打開(kāi)，沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向?qū)涌p處塑化的金屬進(jìn)行微鍛處理，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細(xì)化；第一待焊工件1和第二待焊工件2隨焊接工作臺(tái)沿著接縫的方向向前進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度為20～300mm/min，塑化的金屬在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的攪拌及擠壓作用下，不斷填充到攪拌頭移動(dòng)后所形成的空腔中，并逐漸冷卻凝固形成最終焊縫1-2，從而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的攪拌摩擦焊接。

所述的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8采用無(wú)攪拌針式攪拌頭，由軸肩a、夾持區(qū)b和葉片狀刀刃c組成，其中軸肩a的端面為平面型，葉片狀刀刃c之間的間隙為凹面型，葉片狀刀刃c的端面與軸肩a的端面平齊，夾持區(qū)b或者攪拌頭夾具需要進(jìn)行絕緣處理，葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c促使塑化的金屬組織沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)的方向從前往后運(yùn)動(dòng)，葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c與軸肩a之間的內(nèi)凹槽包攏塑化的金屬并對(duì)焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。

所述的負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3和正極動(dòng)態(tài)夾持頭4由夾持座和滾珠組成，夾持座和滾珠采用導(dǎo)電材料制作而成，夾持座外殼需進(jìn)行絕緣處理。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接技術(shù)相比，本發(fā)明利用直流開(kāi)關(guān)電源10提供電阻熱源輔助攪拌摩擦焊接，接縫處接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱使接縫處的金屬材料軟化，電阻熱在攪拌摩擦焊接過(guò)程中可以細(xì)化焊核區(qū)的晶粒組織，提高焊接接頭的質(zhì)量和強(qiáng)度；電阻熱使焊接作用力減小，減輕攪拌頭的磨損，極大的延長(zhǎng)了攪拌頭的壽命；簡(jiǎn)化焊接設(shè)備和夾具安裝要求，實(shí)現(xiàn)大厚度工件的攪拌摩擦焊接，提高焊接速率，減少焊接缺陷，提高焊接接頭的強(qiáng)度。

2.采用無(wú)攪拌針式攪拌頭，焊后形成的焊縫不會(huì)存在匙孔缺陷，避免了傳統(tǒng)攪拌頭的攪拌針易磨損情況的發(fā)生。葉片狀刀刃c可以促使塑化的金屬組織沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)的方向從前往后運(yùn)動(dòng)，軸肩a的內(nèi)凹槽可以包攏塑化的金屬并對(duì)焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。

3.采用動(dòng)態(tài)夾持的裝夾方式，提高攪拌摩擦焊接設(shè)備的靈活性，擴(kuò)充焊接設(shè)備的焊接能力，實(shí)現(xiàn)工件的流水化焊接。

4.采用超聲波激振器9沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向?qū)涌p處塑化的金屬進(jìn)行微鍛處理，焊縫處的金屬內(nèi)部組織產(chǎn)生高頻振動(dòng)，材料活性增強(qiáng)，降低攪拌摩擦焊接過(guò)程中金屬材料塑性變形時(shí)的屈服應(yīng)力和流變應(yīng)力，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細(xì)化，盡可能減小以致避免焊縫處熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的形成，從而使所形成最終焊縫1-2的金屬組織形態(tài)達(dá)到近似完全形成焊核的程度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明方法的原理示意圖。

圖3是第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的結(jié)構(gòu)圖，圖(a)是主視圖，圖(b)是俯視圖。

圖4是焊接加工所得工件的剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。

參照?qǐng)D1、圖2、圖3和圖4，一種熱源輔助復(fù)合式雙軸無(wú)針動(dòng)態(tài)攪拌摩擦焊接方法，包括以下步驟：

1)待焊工件的裝夾：將第一待焊工件1和第二待焊工件2通過(guò)負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3、正極動(dòng)態(tài)夾持頭4、第一導(dǎo)向預(yù)緊輪5和第二導(dǎo)向預(yù)緊輪6裝夾固定在焊接工作臺(tái)上，負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3和正極動(dòng)態(tài)夾持頭4限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向上的自由度，第一導(dǎo)向預(yù)緊輪5和第二導(dǎo)向預(yù)緊輪6限制第一待焊工件1和第二待焊工件2在水平b-b方向上的自由度，使第一待焊工件1和第二待焊工件2只能隨焊接工作臺(tái)沿接縫方向移動(dòng)；第一待焊工件1和第二待焊工件2之間為無(wú)間隙對(duì)接，負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3和正極動(dòng)態(tài)夾持頭4由夾持座和滾珠組成，夾持座和滾珠采用導(dǎo)電材料制作而成，夾持座外殼需進(jìn)行絕緣處理，主要用來(lái)對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)夾持和作為電阻熱源的電極；第一導(dǎo)向預(yù)緊輪5和第二導(dǎo)向預(yù)緊輪6需要進(jìn)行絕緣處理，防止設(shè)備發(fā)生漏電危險(xiǎn)；裝夾之前，需要對(duì)第一待焊工件1和第二待焊工件2的接合面進(jìn)行清潔處理，去除油污即可，不需要去除氧化膜；

2)待焊工件的預(yù)熱：正極動(dòng)態(tài)夾持頭4、第二待焊工件2、第一待焊工件1、負(fù)極動(dòng)態(tài)夾持頭3通過(guò)導(dǎo)線11和直流開(kāi)關(guān)電源10連接形成閉合電流回路，直流開(kāi)關(guān)電源10上電，電流方向如圖2中導(dǎo)線11上的箭頭標(biāo)注方向所示；電流流過(guò)待焊工件內(nèi)部產(chǎn)生電阻熱，高速旋轉(zhuǎn)的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側(cè)后，通過(guò)第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的軸肩對(duì)接縫處施加正壓力，利用電流通過(guò)第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫處接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱使接縫處的金屬材料軟化；電阻熱在攪拌摩擦焊接過(guò)程中可以細(xì)化焊核區(qū)的晶粒組織，提高焊接接頭的質(zhì)量和強(qiáng)度；直流開(kāi)關(guān)電源10提供500～2000a的電流，電壓為3～20v；

3)攪拌摩擦焊接：高速旋轉(zhuǎn)的第一攪拌頭7和第二攪拌頭8分別壓入第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的兩側(cè)，壓入深度為0.1～1mm，使接縫處軟化的金屬組織在軸肩a和葉片狀刀刃c的攪拌摩擦作用下達(dá)到塑化狀態(tài)，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的轉(zhuǎn)速為500～2000轉(zhuǎn)/分鐘；同時(shí)，第一攪拌頭7和第二攪拌頭8上連接的超聲波激振器9打開(kāi)，沿第一攪拌頭7和第二攪拌頭8軸線a-a方向?qū)涌p處塑化的金屬進(jìn)行微鍛處理，焊縫處的金屬內(nèi)部組織產(chǎn)生高頻振動(dòng)，材料活性增強(qiáng)，降低攪拌摩擦焊接過(guò)程中金屬材料塑性變形時(shí)的屈服應(yīng)力和流變應(yīng)力，使焊縫處的金屬組織晶粒得到細(xì)化；然后，第一待焊工件1和第二待焊工件2隨焊接工作臺(tái)沿著接縫的方向向前進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給速度為20～300mm/min，塑化的金屬在第一攪拌頭7和第二攪拌頭8的攪拌及擠壓作用下，不斷填充到攪拌頭移動(dòng)后所形成的空腔中，并逐漸冷卻凝固形成最終焊縫1-2，從而完成第一待焊工件1和第二待焊工件2接縫的攪拌摩擦焊接。

參照?qǐng)D3，所述的第一攪拌頭7的和第二攪拌頭8采用無(wú)攪拌針式攪拌頭，由軸肩a、夾持部分b和葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c組成，采用工具鋼制成，其中軸肩a的端面為平面型，葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c之間的間隙為凹面型，葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c的端面與軸肩a的端面平齊，夾持部分b或者攪拌頭夾具需要做絕緣處理，防止設(shè)備發(fā)生漏電危險(xiǎn)；葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c可以促使塑化的金屬組織沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)的方向從前往后運(yùn)動(dòng)，葉片狀刀刃結(jié)構(gòu)c與軸肩a之間的內(nèi)凹槽可以包攏塑化的金屬并對(duì)焊縫施加頂鍛壓力，促使焊縫成形光滑平整。