專利名稱：一種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊工藝方法
技術領域：
本發明涉及ー種焊接エ藝方法，尤其是一種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法。背景技木作為ー種固相連接技術，攪拌摩擦焊接過程中沒有材料的熔化與凝固現象產生，焊接過程中的熱輸入比較低，因此攪拌摩擦焊構件殘余應カ較低、變形相對較小。但鋁合金薄壁結構攪拌摩擦焊的焊接變形問題還是表現得很突出，尤其是薄壁結構的焊接變形與工程實際的要求存在較大差距。例如某型號飛機座艙地板2. Omm厚試驗件搭接結構采用攪拌摩擦焊エ藝焊接，焊后試件呈波浪形，宏觀變形較大。隨著攪拌摩擦焊技術的不斷深入以及工程應用的不斷擴大，攪拌摩擦焊殘余變形的減小與控制逐步成為研究熱點，并已經發展了諸如利用動態低應カ無變形技術、溫差拉伸法等來控制攪拌摩擦焊接頭的殘余變形。同時，對于攪拌摩擦焊接頭來講，焊接熱的存在使熱機影響區或熱影響區的晶粒粗大化，造成接頭出現軟化區，影響了接頭的力學性能。近年來，國內外的研究者已經開始對強冷介質影響攪拌摩擦焊接頭溫度分布、組織與性能的規律進行了研究，但利用控冷環境來改善接頭組織以及控制接頭殘余變形的報道還未出現

發明內容
為了解決攪拌摩擦焊連接金屬薄板結構的殘余變形往往不能滿足實際工程需求的問題以及進ー步提高接頭的力學性能，本發明設計了適用于控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法，為鋁合金、鈦合金等薄板結構攪拌摩擦焊殘余變形的有效控制提供了一個新的思路與方法。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法，其中控冷環境主要是由四個輔助夾具來實現，且輔助夾具分別在焊接方向與垂直焊接方向上各布置兩個；在焊接過程中，在焊接方向上且選取靠近焊接方向起始端的輔助夾具與垂直于焊接方向布置的兩輔助夾具配合實現控冷環境的冷卻面積與位置的調控。該發明的具體步驟為步驟一、將焊件A和焊件B對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A與焊件B組對)，并用夾具裝夾在工作臺上；所述焊件A和焊件B均為板材。步驟ニ、確定焊接方向，將冷卻裝置夾持到輔助夾具上，根據焊接エ藝需要選擇焊接用輔助夾具并對其位置進行調整，保證冷卻氣體的噴嘴與攪拌頭的邊界距離為3-30mm，打開冷卻裝置上面的控制閥，開始供冷氣。步驟三、攪拌頭的攪拌針以100 2000轉/分的轉速扎入待焊部位(即焊件A與焊件B的對接面)；攪拌頭扎入速度為I 4mm/分，攪拌針扎入エ件深度比エ件厚度小O
O.3mm，保持軸肩端面與エ件上邊面緊密貼合且有一定的下壓力。步驟四、當攪拌頭達到設定的下扎深度時，攪拌頭以50 1600mm/分的速度沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。本發明是的有益效果是(一)基于控冷環境，加大攪拌摩擦焊接過程中的被焊件的冷卻速度，減少焊后熱機影響區或熱影響區晶粒的粗大程度，縮小接頭軟化區的范圍，提高接頭的性能；、
( ニ )基于控冷環境，在攪拌頭后面的焊件上形成馬鞍形溫度場，利用溫差拉伸效應大幅度減小接頭的殘余變形，為鋁合金、鈦合金等薄板結構攪拌摩擦焊殘余變形的有效控制提供了 ー個新的思路與方法。


圖I是控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊焊接過程示意圖。圖2是輔助夾具結構示意圖。圖3是冷卻裝置冷氣噴嘴結構示意圖。圖4是溫差拉伸效應示意圖。圖中1.焊件A，2.焊件B，3.攪拌摩擦焊設備頭部，4.攪拌頭，5.輔助夾具，6.冷 卻裝置，7.輔助夾具工作部，8.水平調節桿，9.調整螺釘A，10.豎直調節桿，11.調整螺釘B，12.固定底座，13.噴氣嘴，14.流量調節擋塊，15.氣腔，16.針式控制閥，17.冷氣入口。18.冷卻裝置A。
具體實施例方式如圖I所示在常規的攪拌摩擦焊設備頭部3的四個方向分別安裝了輔助夾具5及其夾持的冷卻裝置6，保持噴氣嘴13與攪拌頭4適合的相對位置。在焊接過程中，根據焊接方向的不同，只開開通靠近焊接起始端的ー個冷卻裝置A18處于工作狀態，其他三個均沒有冷氣流出，進而實現后置冷卻。圖中箭頭所示為焊接方向。如圖2所示輔助夾具通過固定底座12固定在攪拌摩擦焊設備頭部3上。水平調節桿8可通過調整螺釘A9來定位，豎直調節桿10可通過調整螺釘Bll來定位，完全滿足了噴氣嘴13在焊接方向上的任意位置的調節。如圖3所示冷卻氣體從冷氣入口 17流入，進入到氣腔15內，然后沿著流量調節擋塊14的孔進入噴氣嘴13流出，流量大小可以由針式控制閥16來控制，其中噴氣嘴13可以更換，根據不同噴氣嘴13出口的形狀，來改變氣體出口的界面形狀，進而來達到預期的目的。如圖4所示焊接區域的溫度場分布呈馬鞍形分布，中間溫度低，兩側溫度高，溫差拉伸效應明顯，可起到控制焊后殘余變形的作用；同吋，控制軟化區域的冷卻速度，可抑制晶粒的長大過程。實施例步驟一、將焊件A I和焊件B 2對接放置且位于同一水平面上(即將焊件A I與焊件B 2組對)，并用夾具裝夾在工作臺上；所述焊件A I和焊件B 2均為板材。步驟ニ、確定焊接方向，在該方向上共有兩個輔助夾具5，沿著焊接方向看，選取攪拌頭4后面的輔助夾具，將冷卻裝置6夾持到輔助夾具5上，調整輔助夾具5的位置，保證冷卻裝置6的噴氣嘴13與攪拌頭4的邊界距離為10mm，打開冷卻裝置6上面的針式控制閥16，開始供氣。
步驟三、攪拌頭4的攪拌針以800轉/分的轉速扎入待焊部位(即焊件A I與焊件 B 2的對接面)；攪拌頭4扎入速度為2mm/分，攪拌針扎入エ件深度比エ件厚度小O. Imm,保持軸肩端面與エ件上邊面緊密貼合且有一定的下壓カ。
步驟四、當攪拌頭4達到設定的下扎深度吋，攪拌頭4以800mm/分的速度沿著焊 件A I與焊件B 2的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。
權利要求
1.一種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法，其具體步驟為 步驟一、將焊件A和焊件B對接放置且位于同一水平面上，并用夾具裝夾在工作臺上；步驟ニ、確定焊接方向，將冷卻裝置夾持到輔助夾具上，根據焊接エ藝需要選擇焊接用輔助夾具并對其位置進行調整，保證冷卻氣體的噴嘴與攪拌頭的邊界距離為3-30mm，打開冷卻裝置上面的控制閥，開始供冷氣； 步驟三、攪拌頭的攪拌針以100 2000轉/分的轉速扎入待焊部位；攪拌頭扎入速度為I 4mm/分，攪拌針扎入エ件深度比エ件厚度小O O. 3mm,保持軸肩端面與エ件上邊面緊密貼合且有一定的下壓カ； 步驟四、當攪拌頭達到設定的下扎深度時，攪拌頭以50 1600mm/分的速度沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。
2.—種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法，其特征在于控冷環境主要是由四個輔助夾具來實現，且輔助夾具分別在焊接方向與垂直焊接方向上各布置兩個；在焊接過程中，在焊接方向上且選取靠近焊接方向起始端的輔助夾具與垂直于焊接方向布置的兩輔助夾具配合實現控冷環境的冷卻面積與位置的調控。
3.如權利要求I所述的ー種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊エ藝方法，其特征在于所述焊件A和焊件B均為板材。
全文摘要
一種小變形、高力學性能的控冷環境輔助下的攪拌摩擦焊工藝方法，解決了攪拌摩擦焊連接金屬薄板結構過程中殘余變形過大的問題，并進一步提高接頭的力學性能。其步驟是將焊件A和焊件B對接裝夾在工作臺上；確定焊接方向，將冷卻裝置夾持到輔助夾具上，根據焊接工藝需要選擇焊接用輔助夾具并對其位置進行調整，保證冷卻氣體的噴嘴與攪拌頭處于合理的相對位置，打開冷卻裝置上面的控制閥，開始供冷氣；攪拌頭的攪拌針扎入待焊部位；保持軸肩端面與工件上邊面緊密貼合且有一定的下壓力；當攪拌頭達到設定的下扎深度時，攪拌頭沿著焊件A與焊件B的對接面水平方向移動，直到焊接完成為止。
文檔編號B23K20/26GK102658420SQ20121013197
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者呂贊, 姬書得, 岳玉梅, 張利國, 李亮, 高雙勝 申請人:沈陽航空航天大學