專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料連接方法，特別涉及一種超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝及裝置。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊(Friction stir welding簡(jiǎn)稱(chēng)FSW)是1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一項(xiàng)固相連接技術(shù)，具有焊接變形小、焊接質(zhì)量高和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為“21世紀(jì) 最具革命性的連接技術(shù)”。但是由于焊接過(guò)程中，攪拌頭受到巨大的軸向下壓力和水平剪切力，其焊接速度受限，攪拌頭磨損嚴(yán)重，對(duì)攪拌摩擦焊設(shè)備和工裝卡具也提出了很高的要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)采用移動(dòng)式感應(yīng)線(xiàn)圈、電阻熱、激光能或等離子弧做等附加輔助熱源的方法來(lái)改善焊接環(huán)境，但是他們具有適用范圍窄、效率低或者可使用工藝參數(shù)少等缺點(diǎn)。超聲波是聲波的一種,具有頻率高、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)超聲施加于材料時(shí)，會(huì)改變材料的本構(gòu)關(guān)系，降低其變形抗力，因此有人提出通過(guò)在攪拌摩擦焊的過(guò)程中復(fù)合超聲來(lái)改善焊接環(huán)境，從而可以提高焊接速度和焊接質(zhì)量。中國(guó)專(zhuān)利CN 1836820A公開(kāi)了一種金屬的焊接方法和裝置，將軸向振動(dòng)或扭振的超聲振動(dòng)引入攪拌摩擦焊接過(guò)程，用高頻機(jī)械振動(dòng)能量驅(qū)動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的攪拌摩擦焊頭作高頻振動(dòng)，攪拌頭將振動(dòng)能傳給焊接區(qū)塑性金屬，用超聲振動(dòng)與摩擦攪拌復(fù)合作用的方法形成焊縫組織實(shí)現(xiàn)金屬的焊接。其主要技術(shù)特征是把攪拌針和超聲的換能器變幅桿連為一體將超聲振動(dòng)的能量導(dǎo)入到焊縫深層，以期改善常規(guī)攪拌摩擦焊形成的上高下低的“漏斗狀”溫度場(chǎng)造成的焊縫底部材料塑性流動(dòng)性差，焊接質(zhì)量低的缺點(diǎn)，用超聲振動(dòng)與摩擦攪拌復(fù)合作用的方法形成焊縫組織實(shí)現(xiàn)金屬的焊接。但是這種設(shè)計(jì)，焊接時(shí)的下壓力嚴(yán)重阻礙攪拌針的超聲振動(dòng)，并且對(duì)原有的攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)備改動(dòng)較大，系統(tǒng)制作復(fù)雜，而且超聲振動(dòng)系統(tǒng)要與攪拌針達(dá)到諧振狀態(tài)，因此對(duì)于不同厚度工件，更換攪拌針的同時(shí)需要更換與其相匹配的超聲振動(dòng)系統(tǒng)，適應(yīng)性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，在不改動(dòng)原有設(shè)備的前提下，通過(guò)輔助裝置直接將超聲振動(dòng)施加在攪拌針周?chē)拇腹ぜ系男鹿に嚪椒ǎ贸曊駝?dòng)來(lái)降低材料的變形抗力，從而達(dá)到提高焊接速度，改善焊接質(zhì)量。同時(shí)提供了用于實(shí)現(xiàn)這一工藝方法的焊接裝置。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，通過(guò)超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的高頻交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械振動(dòng)能，經(jīng)變幅桿進(jìn)一步放大振幅后，由工具頭從攪拌頭周?chē)拇附訁^(qū)域先將超聲波導(dǎo)入，再有攪拌頭沿焊接方向焊接。上述工藝中，所述的變幅桿優(yōu)選振動(dòng)頻率2(Tl00kHz，振幅KTlOO U m,工具頭距攪拌頭軸線(xiàn)10 50毫米，可調(diào)。
攪拌頭轉(zhuǎn)速優(yōu)選300-1000r/min,焊接速度60-400mm/min,軸肩下壓量
0.02-0. 2mm。超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭的攪拌摩擦焊機(jī)、超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭，后三者組成振動(dòng)單元，超聲波發(fā)生器通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)連接振動(dòng)單元，換能器與變幅桿相連，變幅桿再連著工具頭，二者均通過(guò)雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動(dòng)導(dǎo)入點(diǎn)在攪拌頭前方的待焊接區(qū)域，振動(dòng)單元通過(guò)定位卡具與攪拌摩擦焊機(jī)固定。所述的定位卡具具有多種形式，其功能是將振動(dòng)單元固定并具有足夠的穩(wěn)定性，固定好之后可以保證工具頭緊壓在攪拌針周?chē)拇腹ぜ稀Ｆ渲幸环N定位卡具結(jié)構(gòu)如下包括長(zhǎng)方體框架、連接片、圓柱夾具，長(zhǎng)方體框架包括前夾板、后夾板，前夾板、后夾板之間為攪拌摩擦焊機(jī)上部擋板，前、后兩個(gè)夾板通過(guò)特型雙頭螺柱與攪拌摩擦焊機(jī)上部擋板緊配合(面接觸)，前夾板中間偏上位置安裝一個(gè)齒輪軸，前夾板前面掛一連接片，連接片上有帶齒條的槽和定位槽，齒輪軸與連接片上帶齒條的槽形成齒輪齒條配合，圓柱夾具與連接片焊接成一體，所述的連接片通過(guò)穿過(guò)定位槽和前擋板的緊固螺栓固定。定位卡具亦可采用上述長(zhǎng)方體框架與絲杠組合的方式，即用絲杠來(lái)替代連接片實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)的功能。定位卡具亦可在擋板上方沿焊接方向水平固定一導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上有滑塊，滑塊再與豎直的絲杠組合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的調(diào)節(jié)。定位卡具亦可將上述的絲杠改成齒輪齒條機(jī)構(gòu)。所述的工具頭與水平面呈30° — 70°夾角，可在定位卡具中增加一活動(dòng)鉸鏈機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整角度，也可以換用不同的連接片或者絲杠來(lái)改變夾角。所述的換能器采用壓電型超聲換能器，工具頭采用工具鋼、鈦合金、硬質(zhì)合金等既耐磨耐熱又具有一定強(qiáng)度的材料，端面制成球面。焊接裝置的工作過(guò)程如下首先通過(guò)超聲波發(fā)生器將50Hz的工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的高頻交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械振動(dòng)能，經(jīng)變幅桿進(jìn)一步放大振幅后，由工具頭將超聲波傳導(dǎo)入攪拌針周?chē)拇附訁^(qū)域。再用定位卡具將振動(dòng)單元和攪拌摩擦焊機(jī)固定，使其在焊接過(guò)程中隨著攪拌頭沿著待焊接縫向前滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了超聲輔助攪拌摩擦焊工藝過(guò)程。超聲振動(dòng)與材料的相互作用能降低材料的變形抗力，提高材料的塑性流動(dòng)性，從而達(dá)到降低焊接阻力，提高焊接效率和焊接質(zhì)量，降低對(duì)攪拌摩擦焊設(shè)備的要求的目的。同時(shí)采用攪拌頭與換能器變幅桿分體式的設(shè)計(jì)可以避免一體式設(shè)計(jì)攪拌針超聲振動(dòng)受巨大下壓力阻礙的弊端，并且不改動(dòng)原有設(shè)備，只需添加輔助設(shè)備即可使用，振動(dòng)系統(tǒng)適用于各種規(guī)格攪拌頭，對(duì)不同材料不同板厚都具有良好的適應(yīng)性。本發(fā)明針對(duì)攪拌摩擦焊中存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出直接將超聲波施加到材料上的裝置，通過(guò)超聲波改變材料的本構(gòu)關(guān)系，使材料的變形抗力下降，從而降低焊接過(guò)程中攪拌頭受到的焊接阻力，提高焊接速度和焊接效率，改善焊接質(zhì)量，擴(kuò)大焊接參數(shù)可適用范圍。與將超聲換能器變幅桿和攪拌頭耦合在一起方法相比，使用自行設(shè)計(jì)的定位卡具將系統(tǒng)集成后，不僅可以有效地保障振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以實(shí)現(xiàn)上下前后方向上的二維調(diào)節(jié)，易于調(diào)節(jié)工具頭和攪拌頭之間的距離，適合各種規(guī)格的攪拌頭，具有廣泛的適應(yīng)性。和普通攪拌摩擦焊相比，攪拌摩擦焊中超聲振動(dòng)的作用主要體現(xiàn)在一下三個(gè)方面
(I)輔加超聲可以在較小的軸肩壓力下獲得良好的焊縫成形，從而可以降低攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備的要求。(2)輔加超聲可以在提高焊接速度的情況下獲得良好的焊縫成形，有助于提高焊接效率。(3)輔加超聲后接頭微觀組織中焊核區(qū)和熱力影響區(qū)晶粒都有所細(xì)化，對(duì)改善焊縫組織有一定的積極影響，有助于提高焊縫的力學(xué)性能。


圖I為本發(fā)明超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例I定位卡具結(jié)構(gòu)主視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例I定位卡具結(jié)構(gòu)左視圖； 圖4為長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)；圖5為圓柱夾具結(jié)構(gòu)；圖6為本發(fā)明實(shí)施例I焊縫表面形貌；圖7為本發(fā)明實(shí)施例2焊縫表面形貌；圖8為本發(fā)明實(shí)施例I焊接材料焊核區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)圖；圖9為對(duì)比例I焊縫表面形貌；圖10為對(duì)比例2焊縫表面形貌；圖11為對(duì)比例I焊接材料焊核區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)圖；圖12為攪拌摩擦焊機(jī)擋板的位置圖；其中，I.攪拌摩擦焊機(jī)，2.攪拌頭，3.定位卡具，4.變幅桿，5.工具頭，6.對(duì)接接縫，7.超聲波發(fā)生器，8.換能器，9.控制面板，10.長(zhǎng)方體框架，11.連接片，12.圓柱夾具，13.前夾板，14.后夾板，15.帶齒條的槽，16.定位槽，17.齒輪軸，18.緊固螺栓，19.雙頭螺柱，20.擋板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭2的攪拌摩擦焊機(jī)I、超聲波發(fā)生器7、換能器8、變幅桿4、工具頭5，超聲波發(fā)生器7通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)連接振動(dòng)單元，振動(dòng)單元包括換能器8、變幅桿4、工具頭5，換能器連著變幅桿，變幅桿再連著工具頭，二者均通過(guò)雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動(dòng)導(dǎo)入點(diǎn)在攪拌頭前方的待焊接區(qū)域，振動(dòng)單元通過(guò)定位卡具3與攪拌摩擦焊機(jī)I固定。所述的定位卡具包括長(zhǎng)方體框架10、連接片11、圓柱夾具12，長(zhǎng)方體框架10包括前夾板13、后夾板14,前夾板13、后夾板14之間為攪拌摩擦焊機(jī)I上部擋板20,前、后兩個(gè)夾板通過(guò)特型雙頭螺柱19與攪拌摩擦焊機(jī)I上部擋板緊密配合(面接觸)，前夾板13中間偏上位置安裝一個(gè)齒輪軸17，前夾板13前面掛一連接片11，連接片11上有帶齒條的槽15和定位槽16，齒輪軸17與連接片11上帶齒條的槽15形成齒輪齒條配合，圓柱夾具12與連接片11焊接成一體，所述的連接片11通過(guò)穿過(guò)定位槽16和前擋板13的緊固螺栓18固定。所述的工具頭5與水平面呈50°夾角。前夾板13、后夾板14以及四個(gè)特型雙頭螺柱19組成一個(gè)長(zhǎng)方體框架10，將攪拌摩擦焊機(jī)I上攪拌頭上前方的一塊擋板套在里面并形成緊密配合。前后左右移動(dòng)整個(gè)框架實(shí)現(xiàn)水平方向上的二維調(diào)節(jié)，移動(dòng)到合適位置后分別用螺栓穿過(guò)前后兩塊夾板頂在擋板上，實(shí)現(xiàn)固定。前夾板13上安裝的齒輪軸17與帶齒條的槽15形成齒輪齒條配合，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪軸上的齒輪(安裝在前夾板上)，可以上下調(diào)節(jié)圓柱夾具12，實(shí)現(xiàn)第三維調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)到所需位置后，將緊固螺栓18穿過(guò)定位槽后擰緊在前夾板上，可以壓緊圓柱夾具，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)單元的固定。超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，用本實(shí)施例裝置，通過(guò)超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的高頻交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械振動(dòng)能，經(jīng)變幅桿進(jìn)一步放大振幅后，由工具頭從攪拌頭周?chē)拇附訁^(qū)域先將超聲波導(dǎo)入，采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，變幅桿的振動(dòng)頻率20kHz，振幅40 u m,開(kāi)啟攪拌摩擦焊機(jī)攪拌頭和超聲波發(fā)生器，沿焊接方向進(jìn)行對(duì)接焊，攪拌頭轉(zhuǎn)速《 =600r/min,焊接速度v=80mm/min,軸肩下壓量0. 05mm。實(shí)施例2超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭2的攪拌摩擦焊機(jī)I、超聲波發(fā)生器
7、換能器8、振動(dòng)單元，超聲波發(fā)生器7通過(guò)換能器8連接振動(dòng)單元，振動(dòng)單元包括變幅桿4，變幅桿4下面連著工具頭5，工具頭5的超聲振動(dòng)導(dǎo)入點(diǎn)在攪拌頭前方的待焊接區(qū)域，振動(dòng)單元通過(guò)定位卡具3與攪拌摩擦焊機(jī)I固定。所述的定位卡具包括長(zhǎng)方體框架10、絲杠、圓柱夾具12，長(zhǎng)方體框架10包括前夾板13、后夾板14,前夾板13、后夾板14之間為攪拌摩擦焊機(jī)I上部擋板20,前、后兩個(gè)夾板通過(guò)特型雙頭螺柱19與攪拌摩擦焊機(jī)I上部擋板緊配合(面接觸)，前夾板13中間偏上位置安裝一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子與絲杠配合，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)絲杠的上下移動(dòng)，絲杠下端焊接一圓柱夾具，其他部分與實(shí)施例I相同。用本實(shí)施例超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，用超聲波發(fā)生器帶動(dòng)變幅桿振動(dòng)，變幅桿的振動(dòng)頻率20kHz，振幅40 y m，開(kāi)啟攪 拌摩擦焊機(jī)攪拌頭和超聲波發(fā)生器，沿焊接方向焊接，攪拌頭轉(zhuǎn)速《 =600r/min,焊接速度v=100mm/min,軸肩下壓量 0. 05mm。對(duì)比例I采用200 X 60 X 6_的2A12鋁合金焊接材料，用現(xiàn)有攪拌摩擦焊機(jī)，開(kāi)啟攪拌摩擦焊機(jī)攪拌頭，沿焊接方向焊接，與實(shí)施例I焊接參數(shù)完全相同，區(qū)別在于不加超聲。對(duì)比例2采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，用現(xiàn)有攪拌摩擦焊機(jī)，開(kāi)啟攪拌摩擦焊機(jī)攪拌頭，沿焊接方向焊接，與實(shí)施例2焊接參數(shù)完全相同，區(qū)別在于不加超聲。
權(quán)利要求
1.超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，其特征是，通過(guò)超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的高頻交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械振動(dòng)能，經(jīng)變幅桿進(jìn)一步放大振幅后，由工具頭從攪拌頭周?chē)拇附訁^(qū)域先將超聲波導(dǎo)入，再有攪拌頭沿焊接方向焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，其特征是，所述的變幅桿振動(dòng)頻率2(Tl00kHz，振幅l(TlOOiim，工具頭距攪拌頭軸線(xiàn)10 50毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝，其特征是，可選工藝參數(shù)范圍攪拌頭轉(zhuǎn)速300-1000r/min，焊接速度60-400mm/min，軸肩下壓量0. 02-0. 2mm。
4.超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，包括帶攪拌頭的攪拌摩擦焊機(jī)、超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具頭，后三者組成振動(dòng)單元，超聲波發(fā)生器通過(guò)信號(hào)傳輸線(xiàn)連接振動(dòng)單元，換能器與變幅桿相連，變幅桿再連著工具頭，二者均通過(guò)雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動(dòng)導(dǎo)入點(diǎn)在攪拌頭前方的待焊接區(qū)域，振動(dòng)單元通過(guò)定位卡具與攪拌摩擦焊機(jī)固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的定位卡具包括長(zhǎng)方體框架、連接片、圓柱夾具，長(zhǎng)方體框架包括前夾板、后夾板，前夾板、后夾板之間為攪拌摩擦焊機(jī)上部擋板，前、后兩個(gè)夾板通過(guò)特型雙頭螺柱與攪拌摩擦焊機(jī)上部擋板緊配合，前夾板中間偏上位置安裝一個(gè)齒輪軸，前夾板前面掛一連接片，連接片上有帶齒條的槽和定位槽，齒輪軸與連接片上帶齒條的槽形成齒輪齒條配合，圓柱夾具與連接片焊接成一體，所述的連接片通過(guò)穿過(guò)定位槽和前擋板的緊固螺栓固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的工具頭與水平面呈30° — 70°夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的工具頭端面制成球面。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的工具頭為工具鋼、鈦合金或硬質(zhì)合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊工藝及裝置，通過(guò)超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻的高頻交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械振動(dòng)能，經(jīng)變幅桿進(jìn)一步放大振幅后，由工具頭從攪拌頭周?chē)拇附訁^(qū)域先將超聲波導(dǎo)入材料，再有攪拌頭沿焊接方向焊接。與將超聲換能器變幅桿和攪拌頭耦合在一起方法相比，使用自行設(shè)計(jì)的定位卡具將系統(tǒng)集成后，不僅可以有效地保障振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以實(shí)現(xiàn)上下前后方向上的二維調(diào)節(jié)，易于調(diào)節(jié)工具頭和攪拌頭之間的距離，適合各種規(guī)格的攪拌頭，具有廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)B23K20/26GK102744516SQ20121024417
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者劉小超, 張皓庭, 武傳松 申請(qǐng)人:山東大學(xué)