專利名稱：等離子弧－攪拌摩擦復合焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接領(lǐng)域，具體涉及一種等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊接的基本原理如專利US 5,460,317所述，在攪拌摩擦焊接過程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，塑化材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由攪拌頭的前部移向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。連接材料包括金屬及其合金、復合材料、塑料等等。雖然攪拌摩擦焊接的方法在一定范圍內(nèi)可以實現(xiàn)對材料的有效連接，但當涉及厚板或難焊材料的連接問題時，僅靠摩擦產(chǎn)熱難以滿足要求。
一種改進的攪拌摩擦焊接方法如專利EP1430986所述，該方法通過在攪拌頭與工件間施加電流的方法，利用電阻熱結(jié)合摩擦熱使待焊材料有效塑化，從而降低焊接阻力。這種方法需要在攪拌頭表面沉積陶瓷層來提高接觸電阻，因而工藝復雜，并且沉積層易于剝落。此外要求攪拌頭和工件的材料必須導電，這對于一些不導電的材料的使用受到限制。
另一種改進的攪拌摩擦焊接方法如專利WO99/39861所述，該方法通過在攪拌頭前方裝一感應(yīng)線圈，利用感應(yīng)加熱使待焊材料有效塑化，其缺點是感應(yīng)線圈在加熱工件的同時也不可避免地使攪拌頭、夾具等部件被加熱，降低其使用壽命，而且感應(yīng)加熱只適用于導磁材料，不能用于非導磁材料。
此外，另一種改進的攪拌摩擦焊接方法如專利US2005/0029330所述，該方法采用激光作為輔助熱源，通過激光產(chǎn)熱與攪拌頭摩擦產(chǎn)熱的共同作用實現(xiàn)材料的焊接。但由于工件表面對激光的反射作用較強使得激光的利用率較低。為提高激光的利用率，另一種改進的攪拌摩擦焊接方法如專利EP01/08345所述，該方法采用預先在工件上開坡口的方法來增加激光的利用率，但增加了焊前準備的工作量，而且坡口的存在減少了焊接區(qū)域的金屬量，增加了焊縫表面的凹陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有方法存在工藝復雜、焊接效率低的問題，提出一種等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料以及非金屬材料的可靠連接，既能保證焊接質(zhì)量，又能夠提高焊接效率，而且該發(fā)明工藝簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明按照如下步驟對工件進行焊接采用等離子槍作為輔助加熱熱源，通過等離子槍形成的等離子弧產(chǎn)生的熱量使待焊工件在攪拌頭經(jīng)過之前得到充分預熱，焊接時，攪拌頭在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件的對接面壓入待焊工件，當攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對接面向前移動實現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，在攪拌頭后部形成焊縫。
本方法利用攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量使待焊工件有效塑化，輔助熱源的引入，一方面可以使待焊材料更好地塑化，從而更容易地實現(xiàn)連接，而且可以提高焊接效率；另一方面，輔助熱源可以彌補攪拌頭摩擦產(chǎn)熱不足的問題，特別是當涉及厚板材料或難焊材料的連接時，輔助熱源的加入是很必要的。


圖1為以等離子弧作為輔助熱源的攪拌摩擦焊接方法的工作原理圖。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖1所示，本實施方式按照如下步驟對工件進行焊接待焊工件3通過夾具被固定在工作臺上，在攪拌頭1前進方向上設(shè)置等離子槍2作為輔助加熱熱源，攪拌頭1與等離子槍2固定在同一構(gòu)架上，使等離子槍2協(xié)同攪拌頭1同時向前運動，通過等離子槍形成的等離子弧產(chǎn)生的熱量使待焊工件3在攪拌頭1經(jīng)過之前得到充分預熱，等離子槍2與攪拌頭1之間的位置以及與待焊工件3表面的距離可以通過預熱溫度給定與檢測裝置5得到調(diào)節(jié)。焊接時，攪拌頭1在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件3的對接面6壓入待焊工件3，當攪拌頭1的軸肩與待焊工件3緊密接觸后，攪拌頭1沿對接面6向前移動實現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，在攪拌頭1后部形成焊縫4。對于不導電的材料，直接采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧加熱；對于導電的材料，可以采用轉(zhuǎn)移型或非轉(zhuǎn)移型等離子弧加熱。輔助熱源在焊接過程中起到預熱的作用，預熱溫度通過熱偶或紅外測溫的方法在焊接過程中進行檢測。
在本實施方式中，作為輔助加熱的熱源為等離子槍所產(chǎn)生的等離子弧，它可以從待焊工件的任何位置對待焊工件進行預熱(例如攪拌頭的前面或后面，待焊工件上面、下面或側(cè)面)，等離子槍可以垂直于待焊工件，也可以與待焊工件之間存在一定的夾角；待焊工件的預熱溫度比其自身熔化溫度低100℃以上，其中待焊材料包括金屬材料(鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金或鋼等)和非金屬材料(塑料等)。
此外，本實施方式的預熱溫度通過預熱溫度給定與檢測裝置進行控制，預熱溫度給定與檢測裝置通過改變等離子弧的電流、弧長以及加熱位置實現(xiàn)預熱溫度控制，預熱溫度通過熱偶或紅外形式進行檢測。
具體實施方式
二本實施方式采用2219-T6鋁合金作為被焊材料，試樣尺寸為300mm×100mm×5mm，接頭形式為對接。采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑14mm，攪拌針長4.8mm。采用直流等離子弧作為輔助熱源，等離子槍至攪拌頭距離為15mm，等離子弧電流為5A，弧長為5mm。在此預熱條件下，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm，焊接速度最高至400mm/min時，接頭中無任何焊接缺陷。銅合金、鎂合金的焊接工藝與鋁合金的焊接工藝相似。
在不采用輔助熱源的情況下，當攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm、焊接速度超過200mm/min時，由于待接材料不能有效塑化而在焊縫中出現(xiàn)空洞缺陷。
具體實施方式
三本實施方式采用LF6鋁合金為焊接材料，試樣尺寸為300mm×100mm×8mm，接頭形式為對接。采用錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑為25mm，攪拌針長為7.8mm。采用直流等離子弧為輔助熱源，等離子槍至攪拌頭距離為12mm，等離子弧電流為10A，弧長5mm。在此預熱條件下，攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000rpm，焊接速度最高至150mm/min時，接頭中無任何焊接缺陷。
在不采用輔助熱源的情況下，當攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000rpm、焊接速度超過50mm/min時，由于待接材料不能有效塑化而不能實現(xiàn)連接。
具體實施方式
四本實施方式采用TC4鈦合金作為被焊材料，試樣尺寸為300mm×100mm×3mm，接頭形式為對接。采用柱形無螺紋攪拌頭，攪拌頭軸肩直徑為30mm，攪拌針長為2.8mm。采用直流等離子弧作為輔助熱源，等離子槍至攪拌頭距離為15mm，等離子弧電流為15A，弧長為5mm。在此預熱條件下，攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm，焊接速度最高至200mm/min時，仍能實現(xiàn)接頭的有效連接。鋼工件的焊接工藝與鈦合金的焊接工藝相似。
在不采用輔助熱源的情況下，當攪拌頭轉(zhuǎn)速為800rpm、焊接速度超過100mm/min時，由于待焊接材料不能有效塑化而發(fā)生攪拌頭斷裂現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于它按照如下步驟進行焊接采用等離子槍作為輔助加熱熱源，通過等離子槍形成的等離子弧產(chǎn)生的熱量使待焊工件在攪拌頭經(jīng)過之前得到充分預熱，焊接時，攪拌頭在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件的對接面壓入待焊工件，當攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對接面向前移動實現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，在攪拌頭后部形成焊縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于待焊工件的預熱溫度比其自身的熔化溫度低100℃以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于待焊工件的材料為金屬材料或非金屬材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于金屬材料為鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金或鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于非金屬材料為塑料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于作為輔助加熱的熱源為等離子槍所產(chǎn)生的等離子弧，等離子弧預熱方式為從待焊工件的任意位置對其進行預熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于作為輔助加熱的熱源為等離子槍所產(chǎn)生的等離子弧，對于不導電材料，采用非轉(zhuǎn)移型等離子弧加熱；對于導電材料，采用轉(zhuǎn)移型或非轉(zhuǎn)移型等離子弧加熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于預熱溫度通過預熱溫度給定與檢測裝置進行控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于預熱溫度給定與檢測裝置通過改變等離子弧的電流、弧長以及加熱位置實現(xiàn)預熱溫度控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，其特征在于預熱溫度通過熱偶或紅外形式進行檢測。
全文摘要
一種等離子?。瓟嚢枘Σ翉秃虾附臃椒ǎ鼘儆诤附宇I(lǐng)域。針對現(xiàn)有方法存在工藝復雜、焊接效率低的問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的采用等離子槍作為輔助加熱熱源，通過等離子槍形成的等離子弧產(chǎn)生的熱量使待焊工件在攪拌頭經(jīng)過之前得到充分預熱，焊接時，攪拌頭在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件的對接面壓入待焊工件，當攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對接面向前移動實現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，在攪拌頭后部形成焊縫。本方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料以及非金屬材料的可靠連接，既能保證焊接質(zhì)量，又能夠提高焊接效率，而且該發(fā)明工藝簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號B23K28/00GK1714983SQ200510010169
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月11日
發(fā)明者劉會杰, 馮吉才, 陳迎春 申請人:哈爾濱工業(yè)大學