[发明专利]一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明的一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法，在薄壁构件搅拌摩擦焊搅拌头外部附加一个随搅拌头一起旋转的低摩擦系数辅助轴肩，该轴肩采用具有一定耐高温能力的自润滑材料，其对被焊材料进行局部拘束和焊后压延，保持焊前及焊后工件平整。同时可对该辅助轴肩对工件实施压力或位移调整与控制，辅助轴肩与搅拌头一起旋转，采用近无倾角的焊接方式，可克服静止轴肩前进阻力过大的问题，同时因为与母材具有非常小的摩擦系数，其产热量较低，不会显著增加焊接过程的热输入，可以确保实现对薄壁工件的动态拘束效果同时不影响焊接过程。本发明可有效解决薄壁构件搅拌摩擦焊过程存在装配困难、易变形失稳、焊后变形较大等问题。

技术领域

本发明涉及一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法，属于焊接领域。

背景技术

在航空航天、消费类电子等领域，对1mm附近及以下壁厚的铝合金、镁合金等轻质材料的焊接具有广泛需求。但是这类构件的焊接由于壁厚较薄，传统的电弧焊接技术具有较大的热输入，通常会导致材料失稳变形，难以胜任该类构件的焊接。激光等高能束焊接技术，由于铝合金对激光的高反射率、熔池的不稳定存在等问题，通常具有较高的成形缺陷发生率，同样限制了该连接技术的应用。

搅拌摩擦焊技术是一种固相连接技术，具有热输入低、焊接变形小、焊接质量高等优势，目前在航空航天、轨道车辆、汽车及电子领域获得了广泛应用。针对1mm及以下壁厚的材料连接，英国焊接研究所(TWI)提出了微搅拌摩擦焊的概念，其采用小尺寸搅拌头和高转速主轴，以实现对薄壁构件微小区域足够的热输入。目前，采用微搅拌技术可实现0.5mm及以上壁厚的铝合金对接接头的可靠连接。

但是在实际的工程应用中发现，薄壁构件微搅拌摩擦焊技术的核心难点，由原来的焊接问题变成了焊接装配问题。因为在微搅拌摩擦焊过程中，由于采用了较高的旋转速度及近无倾角的焊接方法，实际的焊接过程中搅拌头的旋转和前进作用对待焊材料产生了较高的作用力；与此同时，薄壁构件自身的拘束度较小，在该作用力作用下搅拌头前端待焊材料很容易产生翘曲变形，而局部翘曲变形的材料会高于搅拌头的轴肩，引起搅拌头划伤破坏工件，无法实现连接。

与此同时，虽然搅拌摩擦焊具有热输低、焊接变形小的特点，但在薄壁构件焊接过程中，随着板材壁厚的降低，焊接过程的局部加热和冷却，依然会引起显著的焊接变形，特别是在焊接工装释放后，往往会产生明显的变形量甚至产生失稳变形。针对这种薄板焊接过程的固有特性，焊接工作者提出随焊碾压的方法来降低焊缝应力的方法，具有一定的效果。

为了提高焊接过程板材装配一致性、降低焊后焊缝残余应力，专利ZL200910071859.0提出在搅拌头周围装配一圈滚动钢珠的方法，来实现对焊后焊缝的碾压作用，以解决搅拌摩擦焊焊缝的残余应力、焊接变形和飞边的问题。但是，该方法难以适应微搅拌摩擦焊过程。一方面，微搅拌摩擦焊过程通常采用较高的旋转速度，在该转速条件下，钢珠将承受较大的离心力，难以固定和稳定工作；另一方面，在高速条件下，附加的压紧钢珠很难实现动平衡，由此导致的高速不稳定将给焊接过程造成不利影响并带来安全性问题；此外，钢珠对工件的压紧是一种局部和间断性的作用，难以保证工件在与搅拌头接触的瞬间依然保持平整。此外，钢珠具有较高硬度，对于工件表面是一种刚性接触，容易对工件和焊缝表面造成损伤。

发明内容

为解决上述工程实际问题及现有方法存在的不足，本发明提出了采用自润滑随焊摩擦拘束的微搅拌摩擦焊方法，可实现对焊前工件的平整性保持及在一定程度上降低焊缝残余应力，解决了薄壁构件搅拌摩擦焊过程焊接工件装配困难、焊接过程变形导致焊接失效等问题，有效实现薄壁构件高可靠高效焊接。

本发明主要包括在传统的搅拌摩擦焊方法的基础上，采用自润滑随焊摩擦拘束的方法进行了无倾角高转速搅拌摩擦焊焊接，其采用了相对铝合金具有极低摩擦系数的自润滑材料作为辅助轴肩，该辅助轴肩紧密套在搅拌头上，与搅拌头一起旋转和前进。搅拌头与辅助轴肩随动前进，对进入搅拌头区域的材料进行拘束，并对搅拌头后部材料进行表面碾压。