[发明专利]一种注入式搅拌摩擦焊接装置

说明书

技术领域

本发明是一种注入式搅拌摩擦焊接装置，属于搅拌摩擦焊接技术领域。适用金属材料及其他可实现搅拌摩擦焊接的非金属材料。

背景技术

20多年以来，搅拌摩擦焊技术在大量的实验和应用过程中显示出一系列独特的优点：首先，焊接温度低于材料熔点，避免或降低了融化-凝固过程中热裂纹、气孔、缩松以及应力集中、元素烧损等现象的产生，无需填丝，不会出现熔焊过程中熔池金属受到污染的现象，接头性能较高；其次，技术原理简单，就是将旋转的搅拌头插入被焊的工件，利用摩擦产热和搅拌头高速旋转所形成的塑性金属流动形成接头，对材料的适应性强，可实现几乎所有金属材料，异种金属材料以及一些非金属材料的焊接；再次，焊接速度快、效率高，过程中无烟尘、飞溅，噪音低、污染小。搅拌摩擦焊被誉为“绿色焊接技术”，在航空、航天、船舶、汽车、电子等众多领域都得到了大量应用，而且应用的深度和广度呈现急速增长态势，具有非常好的开发潜力和应用前景。

搅拌摩擦焊技术虽然优点众多，但并非完美：其一，焊接过程中搅拌头与焊缝竖直方向一般会保持1°～3°的夹角，目的是通过轴肩后沿的挤压作用防止塑化金属无序挤出，造成焊缝内部材料不足而形成空洞。在焊接直缝时，保持固定夹角很容易做到，但是在焊接平面二维焊缝时，每到焊缝转弯处就需要调整搅拌针倾斜方向，降低工作效率，如果调节不当或精度不高，还会出现焊接缺陷。其二，焊缝减薄，由于焊接倾角以及搅拌头有一定的压入量，焊后焊缝会比母材薄，薄板焊接时减薄量能达到0.1～0.3mm，这会导致强度测量值低于实际值。其三，如果搅拌头形状或焊接参数选择不合理会导致焊缝内部塑化金属发生紊流，产生孔洞、隧道等缺陷。以上三方面是搅拌摩擦焊目前面临的技术问题，不但影响焊接效率，而且在一定程度上限制了搅拌摩擦焊技术的应用。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种注入式搅拌摩擦焊接装置，其目的是在搅拌摩擦焊接及搅拌摩擦点焊过程中，以挤压注入的方式向焊缝或焊点内部补充金属材料，消除搅拌摩擦焊接过程中因搅拌头形状及焊接参数不合理引起的隧道、空洞等焊接缺陷，还可实现无倾角搅拌摩擦焊，大幅提高焊接质量和焊接效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种注入式搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头和搅拌针，其特征在于：在搅拌头和搅拌针的中心加工有一个上、下贯通的注入孔，通过一个压力执行装置从注入孔上端向孔内的焊接补偿材料施加压力，使焊接补偿材料通过注入孔的下端注入焊缝。注入孔的孔径从上端到下端收窄。搅拌针的中心处注入孔的挤出口设置在搅拌针的底部、侧面或搅拌头轴肩部位。搅拌头和搅拌针是分体结构，搅拌针通过螺纹与搅拌头连接。

搅拌摩擦焊接是金属材料在高速旋转的搅拌头的挤压和摩擦作用下塑化、充分融合从而形成牢固连接的过程，因此，焊接过程中搅拌针周围的金属材料会发生剧烈的塑性变形，随着搅拌针的旋转，前方金属被转移到后侧。如果搅拌头尺寸或者焊接参数选择不合理，就会形成塑化金属紊流，导致某些部位的金属被带走而后续材料没有及时补充，形成孔洞、隧道等缺陷，严重危害焊接质量。本发明正是针对这一问题，在整个焊接过程中持续注入补充材料，增加焊缝内塑化金属的压力，提供充足的金属用以填充孔洞、隧道，形成致密焊缝。此外，向焊缝内注入足量材料的情况下，就不必通过倾斜搅拌头来用轴肩压实焊缝，将搅拌头与焊板平面法线的角度调整为0°，从而实现无倾角搅拌摩擦焊接。采用无倾角搅拌摩擦焊技术焊接二维平面焊缝时，在焊缝转弯处不需要调节搅拌头角度，减少一道焊接工序，同时避免搅拌头调节倾角过程形成的组织缺陷，不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性。持续注入的金属会带走一部分热量，能够降低搅拌头温度，有助于形成高性能焊缝。此外，在焊接过程结束，搅拌针抽出的过程中继续注入金属填充匙孔，还可以实现无匙孔焊接，增加焊接结构件的安全性。由于有补充材料，焊接过程对焊缝间隙的容忍度能够大幅提高。