[发明专利]超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料连接方法，特别涉及一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置。

背景技术

搅拌摩擦焊（Friction stir welding简称FSW）是1991年英国焊接研究所发明的一项固相连接技术，具有焊接变形小、焊接质量高和绿色无污染等优点，被称为“21世纪最具革命性的连接技术”。但是由于焊接过程中，搅拌头受到巨大的轴向下压力和水平剪切力，其焊接速度受限，搅拌头磨损严重，对搅拌摩擦焊设备和工装卡具也提出了很高的要求。国内外学者通过采用移动式感应线圈、电阻热、激光能或等离子弧做等附加辅助热源的方法来改善焊接环境，但是他们具有适用范围窄、效率低或者可使用工艺参数少等缺点。

超声波是声波的一种，具有频率高、穿透能力强等特点。实验证明，当超声施加于材料时，会改变材料的本构关系，降低其变形抗力，因此有人提出通过在搅拌摩擦焊的过程中复合超声来改善焊接环境，从而可以提高焊接速度和焊接质量。中国专利CN 1836820A公开了一种金属的焊接方法和装置，将轴向振动或扭振的超声振动引入搅拌摩擦焊接过程，用高频机械振动能量驱动高速转动中的搅拌摩擦焊头作高频振动，搅拌头将振动能传给焊接区塑性金属，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织实现金属的焊接。其主要技术特征是把搅拌针和超声的换能器变幅杆连为一体将超声振动的能量导入到焊缝深层，以期改善常规搅拌摩擦焊形成的上高下低的“漏斗状”温度场造成的焊缝底部材料塑性流动性差，焊接质量低的缺点，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊缝组织实现金属的焊接。但是这种设计，焊接时的下压力严重阻碍搅拌针的超声振动，并且对原有的搅拌摩擦焊机设备改动较大，系统制作复杂，而且超声振动系统要与搅拌针达到谐振状态，因此对于不同厚度工件，更换搅拌针的同时需要更换与其相匹配的超声振动系统，适应性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，在不改动原有设备的前提下，通过辅助装置直接将超声振动施加在搅拌针周围的待焊工件上的新工艺方法，利用超声振动来降低材料的变形抗力，从而达到提高焊接速度，改善焊接质量。同时提供了用于实现这一工艺方法的焊接装置。

本发明采取的技术方案为：

超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经变幅杆进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入，再有搅拌头沿焊接方向焊接。

上述工艺中，所述的变幅杆优选振动频率20~100kHz，振幅10~100μm，工具头距搅拌头轴线10~50毫米，可调。

搅拌头转速优选300-1000r/min，焊接速度60-400mm/min，轴肩下压量0.02-0.2mm。

超声振动辅助搅拌摩擦焊装置，包括带搅拌头的搅拌摩擦焊机、超声波发生器、换能器、变幅杆、工具头，后三者组成振动单元，超声波发生器通过信号传输线连接振动单元，换能器与变幅杆相连，变幅杆再连着工具头，二者均通过双头螺柱连接，工具头的超声振动导入点在搅拌头前方的待焊接区域，振动单元通过定位卡具与搅拌摩擦焊机固定。

所述的定位卡具具有多种形式，其功能是将振动单元固定并具有足够的稳定性，固定好之后可以保证工具头紧压在搅拌针周围的待焊工件上。其中一种定位卡具结构如下：包括长方体框架、连接片、圆柱夹具，长方体框架包括前夹板、后夹板，前夹板、后夹板之间为搅拌摩擦焊机上部挡板，前、后两个夹板通过特型双头螺柱与搅拌摩擦焊机上部挡板紧配合（面接触），前夹板中间偏上位置安装一个齿轮轴，前夹板前面挂一连接片，连接片上有带齿条的槽和定位槽，齿轮轴与连接片上带齿条的槽形成齿轮齿条配合，圆柱夹具与连接片焊接成一体，所述的连接片通过穿过定位槽和前挡板的紧固螺栓固定。

定位卡具亦可采用上述长方体框架与丝杠组合的方式，即用丝杠来替代连接片实现上下调节的功能。

定位卡具亦可在挡板上方沿焊接方向水平固定一导轨，导轨上有滑块，滑块再与竖直的丝杠组合，实现各个方向的调节。

定位卡具亦可将上述的丝杠改成齿轮齿条机构。

所述的工具头与水平面呈30°－70°夹角，可在定位卡具中增加一活动铰链机构来调整角度，也可以换用不同的连接片或者丝杠来改变夹角。

所述的换能器采用压电型超声换能器，工具头采用工具钢、钛合金、硬质合金等既耐磨耐热又具有一定强度的材料，端面制成球面。