專利名稱：一種電阻熱的攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬焊接領(lǐng)域，涉及一種攪拌摩擦焊接不銹鋼的裝置及方 法，特別涉及一種電阻熱——^Jt拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
不銹鋼作為現(xiàn)代工業(yè)中一種重要材料，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、易加工 等許多優(yōu)異的特性，被廣泛應(yīng)用于船舶、車輛、汽車及家電設(shè)備等行業(yè)。 在不銹鋼加工工藝中，焊接成為必不可少的加工技術(shù)。目前，采用傳統(tǒng)熔 焊工藝焊接不銹鋼時(shí)存在諸多問題例如，奧氏體不銹鋼易形成方向性強(qiáng) 的柱狀晶，利于雜質(zhì)偏析而產(chǎn)生凝固裂紋；鐵素體不銹鋼在高的熱循環(huán)作 用下，鐵素體晶粒易于長(zhǎng)大，導(dǎo)致接頭脆化；馬氏體不銹鋼易形成冷裂紋 等。這使得采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接不銹鋼時(shí)難以獲得理想的焊縫，在一 定程度上限制了不銹鋼的應(yīng)用。
攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國(guó)焊接研究所于1991年開發(fā)的一種新型固相焊 接技術(shù)。攪拌摩擦焊接過程中，被焊接材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，可實(shí)現(xiàn) 焊接接頭組織細(xì)化和均勻化。焊接過程中較低的熱循環(huán)作用，減小了組織 粗化傾向，使焊接接頭具有高的強(qiáng)度和韌性。攪拌摩擦焊接技術(shù)克服了傳 統(tǒng)熔焊工藝焊接不銹鋼時(shí)出現(xiàn)的問題，為不銹鋼焊接提供了一條極具發(fā)展 潛力的途徑。
但相對(duì)鎂合金、鋁合金等低熔點(diǎn)材料而言，由于不銹鋼具有較高的強(qiáng) 度和硬度，顯著增加了不銹鋼攪拌摩擦焊接的難度。尤其是不銹鋼攪拌摩 擦焊接時(shí)，攪拌頭承受較大的機(jī)械力載、摩擦熱載及嚴(yán)重的磨損，因而對(duì) 攪拌頭的材料提出了較高的要求。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)成本低廉且使用壽命長(zhǎng)的攪拌摩擦焊用攪拌頭成為解決不銹鋼攪拌摩擦焊接的關(guān)鍵問題。不銹鋼
焊接時(shí)，溫度高達(dá)1000'C以上，在如此高的溫度下能滿足使用要求的材料
往往是難熔金屬合金或結(jié)構(gòu)陶瓷，這些材料的制造和加工難度都較大。目 前，大多采用多晶立方氮化硼和鎢基合金作為攪拌頭材料。鎢基合金韌性
較好，焊接過程中不易發(fā)生脆性破壞，但較易發(fā)生磨損，且價(jià)格昂貴(約4 萬元/Kg)。而多晶立方氮化硼的耐磨性較好，材料成本相對(duì)較低，但其韌 性較差，易于脆斷，而且商用的PCBN主要為美國(guó)所壟斷。由此可見，目 前設(shè)計(jì)開發(fā)成本低廉，性能優(yōu)良的攪拌頭尚存在較大難度，導(dǎo)致不銹鋼的 攪拌摩擦焊接受到較大限制。
綜上所述，要實(shí)現(xiàn)不銹鋼的攪拌摩擦焊接，除了需要對(duì)攪拌頭的材料、 形狀及尺寸做改進(jìn)外，還需要在攪拌摩擦焊接過程中采用輔助加熱工藝。 利用輔助熱源的高溫作用將工件軟化，使得施以較小的工作負(fù)荷就能驅(qū)動(dòng) 攪拌頭移動(dòng)，補(bǔ)償攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱的不足，增加金屬的塑性流動(dòng)， 保證不銹鋼攪拌摩擦焊接的實(shí)現(xiàn)。再者，在一定程度上降低對(duì)攪拌頭材料 高性能的要求，使得在不銹鋼攪拌摩擦焊接過程中，使用焊接低熔點(diǎn)材料 所用攪拌頭成為可能，減輕了高性能攪拌頭對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊接的制約 作用。同時(shí)，輔助加熱工藝有效減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭的有效焊 接長(zhǎng)度，從而延長(zhǎng)其使用壽命。從國(guó)內(nèi)外的相關(guān)報(bào)道可見，輔助熱源的形 式有激光輔助熱源、等離子輔助熱源、電弧輔助熱源和加熱管輔助熱源。 但這些輔助熱源及其裝置在使用過程中都存在一些問題。例如，激光作為 輔助熱源，工件表面對(duì)其能量的反射較嚴(yán)重，熱損失較多；等離子和電弧 輔助熱源的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；加熱管的加熱效率低，加熱時(shí)間長(zhǎng)， 大大降低了攪拌摩擦焊接的效率。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中不銹鋼攪拌摩擦焊接輔助加熱技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼 的裝置及其方法，利用不銹鋼材料本身高電阻率的特點(diǎn)，可有效焊接不銹 鋼材料。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置，包括電源、變壓器 和攪拌頭，攪拌頭上有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸肩和攪拌針；其特征在于，所述電
源的兩個(gè)輸出端通過電纜與變壓器的輸入端相連，變壓器的一個(gè)輸出端通 過電纜與墊板連接，所述的墊板用于放置被焊接工件，變壓器的另一個(gè)輸 出端通過電纜與電刷連接，所述的電刷與位于攪拌頭上端凹槽內(nèi)的銅環(huán)接觸。
上述電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置用于焊接不銹鋼的方
法，其特征在于，包括下列步驟
1) 將兩被焊接工件置于墊板的上表面，對(duì)接并壓緊；
2) 把變壓器的電壓降至2V 20V，使電流升高至200A 3000A，形成 低壓大電流；
3) 將攪拌頭上的攪拌針在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下慢慢旋入兩被焊接工件之間， 當(dāng)軸肩接觸兩被焊接工件時(shí)，攪拌頭對(duì)被焊接工件施加一定的壓力，使攪 拌針和被焊接工件緊密接觸；此時(shí)，低壓大電流導(dǎo)通，因被焊接工件自身 存在高的電阻，則電流在被焊接工件處產(chǎn)生較高的熱量，該熱量補(bǔ)償了攪 拌頭與被焊接工件摩擦產(chǎn)熱的不足；同時(shí)，攪拌針在開始沿焊縫方向以一 定的速度移動(dòng)，被焊接工件的焊縫處的材料在摩擦產(chǎn)熱和電阻熱的疊加產(chǎn) 生的高溫作用下，呈現(xiàn)高溫粘塑性狀態(tài)，在攪拌針后部形成焊縫，使被悍 接工件焊接在一起。
本發(fā)明的電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合悍接不銹鋼的裝置，為不銹鋼的攪 拌摩擦焊接提供了一種有效的焊接平臺(tái)，采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行不銹鋼的
5焊接，可有效降低不銹鋼攪拌摩擦焊接的難度。同時(shí)，減少攪拌頭的磨損， 增加攪拌頭的焊接長(zhǎng)度，延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命，而且該發(fā)明的裝置簡(jiǎn)單， 易于實(shí)現(xiàn)，成本較低。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中的標(biāo)號(hào)分別表示1、電源，2、電 纜，3、電纜，4、變壓器，5、電纜，6、電纜，7、電刷，8、銅環(huán)，9、攪 拌頭，10、軸肩，11、攪拌針，12、被焊接工件(左)，13、被焊接工件(右)， 14、墊板，K。電源輸出端，K2、電源輸出端，K3、變壓器輸入端，K4、 變壓器輸入端，K5、變壓器輸出端，K6、變壓器輸出端。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明的電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置，包括 電源l、變壓器4和攪拌頭9，攪拌頭9上有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸肩IO和攪拌 針11;電源1的兩個(gè)輸出端(Ki、 K2)分別與變壓器4的兩個(gè)輸入端(K3 、 K4)通過電纜(2、 3)相連，變壓器4的一個(gè)輸出端K6通過電纜6與墊板 14連接，墊板14用于放置被焊接工件，另一個(gè)輸出端K5通過電纜5與電 刷7連接。電刷7與位于攪拌頭9上端凹槽內(nèi)的銅環(huán)8接觸，以保證電刷7 在攪拌頭9的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)過程中，與攪拌頭9之間電流的可靠傳輸。
采用上述電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置用于焊接不銹鋼 的方法，包括下列步驟
將兩被焊接工件置于墊板的上表面，對(duì)接并壓緊；電源1經(jīng)過變壓器4 將電壓降至2V 20V，使電流升高至200A 3000A，形成低壓大電流，變壓 器4的輸出端K5經(jīng)過電纜5、電刷7、銅環(huán)8和攪拌頭9及其攪拌針11 送至被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)的上表面，變壓器的另一 輸出端K6經(jīng)過電纜6和墊板14送至被焊接工件12 (左)和被焊接工件13(右)的下表面。
攪拌摩擦焊接時(shí)，被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)對(duì)接并 被壓緊后，攪拌針11在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下慢慢旋入被焊接工件12 (左)和被焊 接工件13 (右)之間，當(dāng)攪拌頭9上的攪拌針11接觸被焊接工件12 (左)、 被焊接工件13 (右)上表面時(shí)，攪拌頭9對(duì)被焊接工件12 (左)、被焊接 工件13 (右)施加一定的壓力，此時(shí)，低壓大電流被導(dǎo)通，因被焊接工件 12 (左)、被焊接工件13 (右)自身存在高的電阻，則電流在被焊接工件 12 (左)、被焊接工件13 (右)上可產(chǎn)生較高的熱量，大大補(bǔ)償了攪拌頭9 與被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)摩擦產(chǎn)熱的不足。同時(shí)，攪 拌頭9帶動(dòng)攪拌針11開始沿焊縫方向以一定的速度移動(dòng)，焊縫處的材料在 攪拌針ll摩擦產(chǎn)熱和電阻熱的高溫疊加作用下，呈現(xiàn)高溫粘塑性狀態(tài)，在 攪拌針ll后部形成焊縫，將被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)焊 接在一起。由于攪拌針11與被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)之 間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，焊縫處的材料產(chǎn)生的高溫粘塑性狀態(tài)在焊縫內(nèi)部也產(chǎn)生相 對(duì)運(yùn)動(dòng)，在熱激活作用下，這層呈現(xiàn)高溫粘塑性狀態(tài)的材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié) 晶，使被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶， 從而焊接在一起，待被焊接工件12 (左)、被焊接工件13 (右)的焊縫全 部完成后，整個(gè)焊接過程完成。
以下是發(fā)明人給出的具體的實(shí)施例，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。 具體實(shí)施例1:
焊接3mm厚的316不銹鋼，攪拌頭為鎢合金鋼，軸肩直徑為16mm， 攪拌針直徑為5mm，長(zhǎng)度為2.9mm。采用本發(fā)明的電阻熱——攪拌摩擦復(fù) 合焊接工藝，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為950r/min，焊接速度為60mm/min，輔助 電流為IOOOA。焊接長(zhǎng)度為150mm，經(jīng)焊接后的不銹鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng) 度達(dá)到母材的86%，攪拌頭磨損較輕。在沒有輔助熱源的條件下，進(jìn)行攪拌摩擦焊接，無法形成有效連接， 且攪拌頭磨損嚴(yán)重。 具體實(shí)施例2:
焊接3mm厚的304不銹鋼，攪拌頭為鎢合金鋼，軸肩直徑為16mm， 攪拌針直徑為5mm，長(zhǎng)度為2.9mm。采用本發(fā)明的電阻熱——攪拌摩擦復(fù) 合焊接不銹鋼的裝置進(jìn)行焊接，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為950r/min，焊接速度 為60mm/min,輔助電流為IOOOA，焊接長(zhǎng)度為142mm。經(jīng)焊接后的不銹 鋼焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的85%，攪拌頭磨損較輕。
在沒有輔助熱源的條件下，進(jìn)行攪拌摩擦焊接，無法形成有效連接， 且攪拌頭磨損嚴(yán)重。
上述實(shí)施例可以看出，采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行不銹鋼的焊接，可有效 降低不銹鋼攪拌摩擦焊接的難度。同時(shí)，減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭 的焊接長(zhǎng)度，延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命。
權(quán)利要求
1. 一種電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置，包括電源(1)、變壓器(4)和攪拌頭(9)，攪拌頭(9)上有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸肩(10)和攪拌針(11)；其特征在于，所述的電源(1)的兩個(gè)輸出端通過電纜與變壓器(4)的輸入端相連，變壓器(4)的一個(gè)輸出端通過電纜與墊板(14)連接，所述的墊板(14)用于放置被焊接工件，變壓器(4)的另一個(gè)輸出端通過電纜與電刷(7)連接，所述的電刷(7)與位于攪拌頭(9)上端凹槽內(nèi)的銅環(huán)(8)接觸。
2. 權(quán)利要求1所述的電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置用于焊接不銹鋼的方法，其特征在于，包括下列步驟-O將兩被焊接工件置于墊板的上表面，對(duì)接并壓緊；2) 把變壓器的電壓降至2V 20V，電流升高至200A 3000A，形成低壓大電流；3) 攪拌頭上的攪拌針在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下慢慢旋入兩被焊接工件之間，當(dāng)軸肩接觸兩被焊接工件時(shí)，攪拌頭對(duì)被焊接工件施加一定的壓力，使攪拌針和被焊接工件緊密接觸；此時(shí)，低壓大電流導(dǎo)通，因被焊接工件自身存在的電阻，則電流在被焊接工件處產(chǎn)生較高的熱量，以補(bǔ)償攪拌針與被焊接工件摩擦產(chǎn)熱的不足；同時(shí)，攪拌針在開始沿焊縫方向以一定的速度移動(dòng)，被焊接工件的焊縫處的材料在摩擦產(chǎn)熱和電阻熱的疊加產(chǎn)生的高溫作用下，呈現(xiàn)高溫粘塑性狀態(tài)，在攪拌針后部形成焊縫，使被焊接工件焊接在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電阻熱——攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置，包括電源、變壓器和攪拌頭，電源的兩個(gè)輸出端通過電纜與變壓器的輸入端相連，變壓器的一個(gè)輸出端通過電纜與墊板連接，墊板用于放置被焊接工件，變壓器的另一個(gè)輸出端通過電纜與電刷連接，電刷與位于攪拌頭上端凹槽內(nèi)的銅環(huán)接觸。采用該裝置焊接時(shí)，調(diào)整變壓器形成低壓大電流，攪拌針在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋入兩焊接工件之間，低壓大電流電路導(dǎo)通，在被焊接工件上產(chǎn)生較高的電阻熱，焊縫處的材料在摩擦產(chǎn)熱和電阻熱的高溫作用下發(fā)生塑化，在攪拌針后部形成焊縫。能夠?qū)崿F(xiàn)不銹鋼的攪拌摩擦焊接，減少攪拌頭的磨損，增加攪拌頭的焊接長(zhǎng)度，延長(zhǎng)攪拌頭的使用壽命，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101474718SQ20081023644
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者文 王, 王快社, 王文禮, 韡 郭 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)