[发明专利]一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及电焦耳效应和回轴式搅拌针，尤其涉及一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)1991年发明的一种固相焊接方法。由于其焊接温度低，被焊材料未熔化，故搅拌摩擦焊缝中不仅没有熔焊缺陷，且无飞溅、无烟尘、无辐射、不需要保护气体、不需要填充焊丝、不需要清渣、变形和应力小，是一种绿色环保低能耗的新型焊接技术。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已在越来越多领域推广应用，可以成功焊接铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铅合金、不锈钢、塑料等材料。但是实践证明，将搅拌摩擦焊应用于工程焊接，还有许多难题需要解决，特别是搅拌头提供的摩擦热有限，摩擦焊接区温度场呈现“上高下低”的浅漏斗状，在焊缝根部易出现弱连接、未焊透等缺陷，故难于焊接铝、镁合金等厚板；焊接结束，随着搅拌针的抽出会产生匙孔缺陷；由于厚板焊接的阻力大，变形困难，使得搅拌头的磨损也比较严重。

搅拌摩擦焊接的原理为：将底板上的待连接工件通过夹具固定，防止工件在焊接过程中错动。利用一个耐高温的硬质材料制成具有一定形状的搅拌工具，工具包括搅拌针、轴肩和夹持杆。将搅拌针高速旋转插入被焊材料的连接处，搅拌针对材料进行强烈的搅拌和混合，当轴肩紧密接触工件表面时，搅拌针停止向下插入，此时连接处不断产生的摩擦热使连接部位材料温度升高形成塑性软化区，然后搅拌头沿焊缝向前直线移动，对材料进行搅拌摩擦来完成焊接。在焊接过程中，搅拌头边高速旋转，边沿工件的连接部位与工件相对移动，在搅拌针侧面和旋转方向产生的机械搅拌和顶锻作用下，软化层金属填充搅拌针后方形成的空腔。搅拌针和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌并重组搅拌针后方的磨碎材料。轴肩进行摩擦产热,也用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。搅拌针后方的材料冷却后形成焊缝。所以焊缝是在热、机联合作用下形成的固相连接。

通常，搅拌摩擦焊接内部的缺陷可以通过优化轴肩和搅拌针的几何形状与加工参数来改善。但是，在搅拌摩擦焊接厚板过程中，轴肩与工件之间提供的摩擦热主要集中在工件表面，难以达到焊缝根部，因此焊缝根部很难实现充分的塑性软化和流动，容易产生根部缺陷，故难于焊接铝、镁合金等厚板，限制了搅拌摩擦焊在厚板连接中的广泛应用。目前，通常采用焊后机加工或塞焊的方式消除匙孔，但效果都不够好，通过搅拌针的回抽则是一种高效的匙孔消除技术。在现有技术中，有通过电阻丝、导热块装置对轴肩加热，将热量传给待焊工件，但是热效率很低，且设备繁琐，不易于操作，可焊工件的厚度有限。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种可焊接铝、镁合金厚板的搅拌摩擦焊装置和方法，即无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置及方法。本发明主要为待焊工件提供一套高效的辅热系统，可以使被焊金属快速达到粘塑性状态，减轻搅拌头顶锻力，提高焊接速度，继而提高了生产效率。还降低了厚板的根部缺陷，提高了接头质量，减轻了搅拌头的磨损，对于铝、镁合金等厚板的连接有重要的应用价值；同时，利用搅拌头回抽，避免了搅拌摩擦焊匙孔的出现，提高了搅拌摩擦焊产品的质量。

本发明采用的技术手段如下：

一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置，其特征在于，包括：

回抽式搅拌针系统，包括搅拌针固定座、设置在所述搅拌针固定座中心通孔上的回抽式搅拌针和固定底板，所述回抽式搅拌针的下端工作面凸出于所述搅拌针固定座的下端轴肩面，凸出长度与焊接工件厚度匹配，在所述搅拌针固定座下端的轴肩面圆周上均匀设置有多个铬铜电极作为轴肩导电体，所述轴肩导电体随所述搅拌针固定座的内部形式设置并延伸至所述搅拌针固定座的两侧壁端面；所述固定底板的上端面内嵌入有导电铜板，当所述回抽式搅拌针完全插入工件，所述搅拌针固定座下端轴肩面与焊接工件紧密接触后，闭合开关，所述轴肩导电体、所述焊接工件和所述导电铜板构成导电通路；

搅拌针回抽传动系统，包括搅拌针旋转座和设置在所述搅拌针旋转座中心通孔上的通过电机转动控制的抽针主轴，所述搅拌针固定座和所述搅拌针旋转座之间设有绝缘板且通过螺栓将三者紧固，实现所述回抽式搅拌针系统和所述搅拌针回抽传动系统的连接；

电刷系统，设置在所述搅拌针固定座的两侧壁端面上，包括导电碳刷、弹簧、弹簧压盖、电刷盒、绝缘体和碳刷导线，所述导电碳刷与所述搅拌针固定座的两侧壁端面之间设有导电铜套；

电阻辅热系统，所述固定底板内装有开关与电源的一极相连，所述碳刷导线与所述电源的另一极相连，闭合开关通过电刷系统为电阻辅热系统提供电流。