[发明专利]电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法

说明书

本发明涉及一种电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法，属于高端智能制造装备领域。装备包括电流加载单元、磁场加载单元和搅拌摩擦焊接单元，可实现在焊接过程中对焊接区域局部加载高密度脉冲电流和强磁场。搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动，在试件焊接区域分别施加高密度脉冲电流和强磁场，从而实现对高熔点合金的电磁辅助搅拌摩擦焊接。优点在于：可以降低焊接载荷，拓宽工艺窗口，提高焊接效率，延长搅拌头使用寿命；可以改善焊缝微观织构，提高接头综合力学性能；电流和磁场加载不受工件尺寸制约，适用于大尺寸工件的加工。

技术领域

本发明涉及高端智能制造装备领域，特别涉及一种搅拌摩擦焊接方法与装备，尤指一种用于电流和磁场耦合的电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法。

背景技术

作为一种先进的固相焊接技术，搅拌摩擦焊自1991年由英国焊接研究所（TheWelding Institute-TWI）发明以来，由于其具有无焊材消耗、焊后工件残余应力小、根除了融焊所固有的缺陷（气孔、凝固裂纹等），具有接头力学性能好、便于自动化焊接、焊接效率高、环境友好（无弧光、烟尘等）等优点，搅拌摩擦焊接已经在航空航天、造船、汽车、列车等工业领域得到了广泛应用。但是其应用范围主要集中于铝、镁等轻合金的焊接，对于钢、钛合金等高熔点合金的焊接还很少应用。

由于搅拌摩擦焊接主要依靠搅拌头和工件的摩擦与挤压作用进行焊接，因此对于高熔点合金的焊接，存在热量输入不足、焊接载荷过大、装夹要求高、焊接速度低、搅拌头磨损严重、搅拌针易折断等问题，严重制约了其在高熔点合金材料焊接上的应用。物理场作为一种经济、环保、高效的辅助加工手段，它可以改善材料的合成和加工条件，调控材料的组织和性能，已经在复合材料制备、金属冶炼、塑性加工等制造工艺中已经得到了广泛的应用。例如电流辅助轧制、磁场辅助热处理等加工工艺都已经得到了很大的发展。在搅拌摩擦焊过程中通入高密度电流（≥10A/mm²），不仅会有明显的焦耳热效应，增加热量输入，塑化金属，而且高密度电流具有纯电致塑性效应，可有效降低材料流变应力，促进焊接过程中材料的塑性流动。加工过程中施加强磁场（≥1T）也会有磁致塑性效应，通过促进材料内部位错的运动和增殖，从而提高工件塑性。此外，磁场辅助热处理可以通过影响位错和晶界来影响相变、增加形核率，促使组织细化，提高焊缝质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备与方法，解决现有搅拌摩擦焊接高熔点合金过程中搅拌头磨损严重，搅拌针易折断，焊接载荷大，焊接性差，接头中孔洞缺陷等问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，包括磁场加载单元、电流加载单元和搅拌摩擦焊接单元，搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动，在试件焊接区域分别施加高密度脉冲电流和强磁场，从而实现对高熔点合金的电磁辅助搅拌摩擦焊接。

所述的磁场加载单元包括上磁场加载模块和下磁场加载模块，其中上磁场加载模块由水冷箱16、上磁块连接套3、上磁块5组成，所述上磁块5是一电磁铁，水冷箱16嵌套并固定于上磁块5中，上磁块5通过上磁块连接套3连接在主轴外壳18上，上磁场加载模块整体固定于主轴外壳18上；上磁块5的铁芯5-1与水冷箱16的外壁焊接固定，所述水冷箱16内壁和搅拌头8及主轴刀柄4之间的间隙大于1mm，不随机床主轴转动，通过调整上、下磁块的配套电源的输出电流强度来调控磁场加载强度。

所述的下磁场加载模块包括下磁块11、下磁块连接块9和随动平台10，所述下磁块11为电磁铁，通过四个下磁块连接块9依靠紧固螺钉固定于随动平台10上，随动平台10固定于支撑平台12上，通过伺服电机驱动丝杠螺母副沿焊缝方向的运动，使其保持与焊接区域的相对位置不变。