專利名稱：超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置。
背景技術：
攪拌摩擦焊(Friction stir welding簡稱FSW)是1991年英國焊接研究所發明的一項固相連接技術，具有焊接變形小、焊接質量高和綠色無污染等優點，被稱為“21世紀最具革命性的連接技術”。但是由于焊接過程中，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，攪拌頭磨損嚴重，對攪拌摩擦焊設備和工裝卡具也提出了很高的要 求。國內外學者通過采用移動式感應線圈、電阻熱、激光能或等離子弧做等附加輔助熱源的方法來改善焊接環境，但是他們具有適用范圍窄、效率低或者可使用工藝參數少等缺點。超聲波是聲波的一種,具有頻率高、穿透能力強等特點。實驗證明，當超聲施加于材料時，會改變材料的本構關系，降低其變形抗力，因此有人提出通過在攪拌摩擦焊的過程中復合超聲來改善焊接環境，從而可以提高焊接速度和焊接質量。中國專利CN 1836820A公開了一種金屬的焊接方法和裝置，將軸向振動或扭振的超聲振動引入攪拌摩擦焊接過程，用高頻機械振動能量驅動高速轉動中的攪拌摩擦焊頭作高頻振動，攪拌頭將振動能傳給焊接區塑性金屬，用超聲振動與摩擦攪拌復合作用的方法形成焊縫組織實現金屬的焊接。其主要技術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的能量導入到焊縫深層，以期改善常規攪拌摩擦焊形成的上高下低的“漏斗狀”溫度場造成的焊縫底部材料塑性流動性差，焊接質量低的缺點，用超聲振動與摩擦攪拌復合作用的方法形成焊縫組織實現金屬的焊接。但是這種設計，焊接時的下壓力嚴重阻礙攪拌針的超聲振動，并且對原有的攪拌摩擦焊機設備改動較大，系統制作復雜，而且超聲振動系統要與攪拌針達到諧振狀態，因此對于不同厚度工件，更換攪拌針的同時需要更換與其相匹配的超聲振動系統，適應性差。
發明內容本實用新型的目的是提供一種超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，在不改動原有設備的前提下，通過輔助裝置直接將超聲振動施加在攪拌針周圍的待焊工件上，利用超聲振動來降低材料的變形抗力，從而達到提高焊接速度，改善焊接質量。本實用新型采取的技術方案為超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭的攪拌摩擦焊機、超聲波發生器、換能器、變幅桿、工具頭，后三者組成振動單元，超聲波發生器通過信號傳輸線連接振動單元，換能器與變幅桿相連，變幅桿再連著工具頭，二者均通過雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動導入點在攪拌頭前方的待焊接區域，振動單元通過定位卡具與攪拌摩擦焊機固定。所述的定位卡具具有多種形式，其功能是將振動單元固定并具有足夠的穩定性，固定好之后可以保證工具頭緊壓在攪拌針周圍的待焊工件上。其中一種定位卡具結構如下包括長方體框架、連接片、圓柱夾具，長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上部擋板，前、后兩個夾板通過特型雙頭螺柱與攪拌摩擦焊機上部擋板緊密配合(面接觸)，前夾板中間偏上位置安裝一個齒輪軸，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，所述的連接片通過穿過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方體框架與絲杠組合的方式，即用絲杠來替代連接片實現上下調節的功能。定位卡具亦可在擋板上方沿焊接方向水平固定一導軌，導軌上有滑塊，滑塊再與豎直的絲杠組合，實現各個方向的調節。定位卡具亦可將上述的絲杠改成齒輪齒條機構。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鉸鏈機構來調整角度，也可以換用不同的連接片或者絲杠來改變夾角。 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、硬質合金等既耐磨耐熱又具有一定強度的材料，端面制成球面。焊接裝置的工作過程如下首先通過超聲波發生器將50Hz的工頻交流電轉換為超聲頻的高頻交流信號，再經過換能器將電能轉化為超聲機械振動能，經變幅桿進一步放大振幅后，由工具頭將超聲波傳導入攪拌針周圍的待焊接區域。再用定位卡具將振動單元和攪拌摩擦焊機固定，使其在焊接過程中隨著攪拌頭沿著待焊接縫向前滑動，從而實現了超聲輔助攪拌摩擦焊工藝過程。超聲振動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性，從而達到降低焊接阻力，提高焊接效率和焊接質量，降低對攪拌摩擦焊設備的要求的目的。同時采用攪拌頭與換能器變幅桿分體式的設計可以避免一體式設計攪拌針超聲振動受巨大下壓力阻礙的弊端，并且不改動原有設備，只需添加輔助設備即可使用，振動系統適用于各種規格攪拌頭，對不同材料不同板厚都具有良好的適應性。本實用新型針對攪拌摩擦焊中存在的這種缺陷，設計出直接將超聲波施加到材料上的裝置，通過超聲波改變材料的本構關系，使材料的變形抗力下降，從而降低焊接過程中攪拌頭受到的焊接阻力，提高焊接速度和焊接效率，改善焊接質量，擴大焊接參數可適用范圍。與將超聲換能器變幅桿和攪拌頭耦合在一起方法相比，使用自行設計的定位卡具將系統集成后，不僅可以有效地保障振動系統的穩定性，還可以實現上下前后方向上的二維調節，易于調節工具頭和攪拌頭之間的距離，適合各種規格的攪拌頭，具有廣泛的適應性。和普通攪拌摩擦焊相比，攪拌摩擦焊中超聲振動的作用主要體現在一下三個方面(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設備的要求。(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和熱力影響區晶粒都有所細化，對改善焊縫組織有一定的積極影響。

圖I為本實用新型超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置結構圖；[0020]圖2為本實用新型實施例I定位卡具結構主視圖；圖3為本實用新型實施例I定位卡具結構左視圖；圖4為長方體框架結構；圖5為圓柱夾具結構；圖6為攪拌摩擦焊機擋板的位置圖；其中，I.攪拌摩擦焊機，2.攪拌頭，3.定位卡具，4.變幅桿，5.工具頭，6.對接接縫，7.超聲波發生器，8.換能器，9.控制面板，10.長方體框架，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。
具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型進一步說明。實施例I超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭2的攪拌摩擦焊機I、超聲波發生器7、換能器8、變幅桿4、工具頭5，超聲波發生器7通過信號傳輸線連接振動單元，振動單元包括換能器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，二者均通過雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動導入點在攪拌頭前方的待焊接區域，振動單元通過定位卡具3與攪拌摩擦焊機I固定。所述的定位卡具包括長方體框架10、連接片11、圓柱夾具12，長方體框架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I上部擋板20,前、后兩個夾板通過特型雙頭螺柱19與攪拌摩擦焊機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通過穿過定位槽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以及四個特型雙頭螺柱19組成一個長方體框架10，將攪拌摩擦焊機I上攪拌頭上前方的一塊擋板套在里面并形成緊密配合。前后左右移動整個框架實現水平方向上的二維調節，移動到合適位置后分別用螺栓穿過前后兩塊夾板頂在擋板上，實現固定。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，通過轉動齒輪軸上的齒輪(安裝在前夾板上)，可以上下調節圓柱夾具12，實現第三維調節。調節到所需位置后，將緊固螺栓18穿過定位槽后擰緊在前夾板上，可以壓緊圓柱夾具，從而實現振動單元的固定。超聲振動輔助攪拌摩擦焊工藝，用本實施例裝置，通過超聲波發生器將工頻交流電轉換為超聲頻的高頻交流信號，再經過換能器將電能轉化為超聲機械振動能，經變幅桿進一步放大振幅后，由工具頭從攪拌頭周圍的待焊接區域先將超聲波導入，采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，變幅桿的振動頻率20kHz，振幅40 μ m,開啟攪拌摩擦焊機攪拌頭和超聲波發生器，沿焊接方向進行對接焊，攪拌頭轉速ω =600r/min,焊接速度v=80mm/min,軸肩下壓量O. 05mm。實施例2[0033]超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭2的攪拌摩擦焊機I、超聲波發生器
7、換能器8、振動單元，超聲波發生器7通過換能器8連接振動單元，振動單元包括變幅桿4，變幅桿4下面連著工具頭5，工具頭5的超聲振動導入點在攪拌頭前方的待焊接區域，振動單元通過定位卡具3與攪拌摩擦焊機I固定。所述的定位卡具包括長方體框架10、絲杠、圓柱夾具12，長方體框架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I上部擋板20,前、后兩個夾板通過特型雙頭螺柱19與攪拌摩擦焊機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轉子，轉子與絲杠配合，轉動轉子可以實現絲杠的上下移動，絲杠下端焊接一圓柱夾具，其他部分與實施例I相同。用本實施例超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，采用200 X 60 X 6_的2A12鋁合金焊接材料，用超聲波發生器帶動變幅桿振動，變幅桿的振動頻率20kHz，振幅40 μ m,開啟攪拌摩擦焊機攪拌頭和超聲波發生器，沿焊接方向焊接，攪拌頭轉速ω=600ι·/η η,焊接速度 v=100mm/min,軸肩下壓量 O. 05mm。對比例I采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，用現有攪拌摩擦焊機，開啟攪拌摩擦焊機攪拌頭，沿焊接方向焊接，與實施例I焊接參數完全相同，區別在于不加超聲。對比例2采用200 X 60 X 6mm的2A12鋁合金焊接材料，用現有攪拌摩擦焊機，開啟攪拌摩擦焊機攪拌頭，沿焊接方向焊接，與實施例2焊接參數完全相同，區別在于不加超聲。
權利要求1.超聲振動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、超聲波發生器、換能器、振動單元，超聲波發生器通過換能器連接振動單元，振動單元包括變幅桿，變幅桿下面連著工具頭，工具頭的超聲振動導入點在攪拌頭前方的待焊接區域，振動單元通過定位卡具與攪拌摩擦焊機固定。
2.根據權利要求I所述的超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的定位卡具包括長方體框架、連接片、圓柱夾具，長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上部擋板，前、后兩個夾板通過特型雙頭螺柱與攪拌摩擦焊機上部擋板緊配合，前夾板中間偏上位置安裝一個齒輪軸，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，所述的連接片通過穿過定位槽和前擋板的緊固螺栓固定。
3.根據權利要求I所述的超聲振動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。
4.根據權利要求I所述的超聲振動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。
5.根據權利要求I所述的超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，其特征是，所述的工具頭為工具鋼、鈦合金或硬質合金。
專利摘要本實用新型涉及一種超聲振動輔助攪拌摩擦焊裝置，包括帶攪拌頭的攪拌摩擦焊機、超聲波發生器、換能器、變幅桿、工具頭，后三者組成振動單元，超聲波發生器通過信號傳輸線連接振動單元，換能器與變幅桿相連，變幅桿再連著工具頭，二者均通過雙頭螺柱連接，工具頭的超聲振動導入點在攪拌頭前方的待焊接區域，振動單元通過定位卡具與攪拌摩擦焊機固定。與將超聲換能器變幅桿和攪拌頭耦合在一起方法相比，使用自行設計的定位卡具將系統集成后，不僅可以有效地保障振動系統的穩定性，還可以實現上下前后方向上的二維調節，易于調節工具頭和攪拌頭之間的距離，適合各種規格的攪拌頭，具有廣泛的適應性。
文檔編號B23K20/26GK202726313SQ20122034240
公開日2013年2月13日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者武傳松, 劉小超, 張皓庭 申請人:山東大學