專利名稱：高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置及焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于技術(shù)材料加工焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及攪拌摩擦焊接裝置及技術(shù)。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊自誕生起，就以其嶄新的思路和優(yōu)良的焊接效果而得到了廣泛研究，尤其在鋁及其合金的焊接應(yīng)用方面得到了廣泛的應(yīng)用，在航空、航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。在進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接時，攪拌頭對工件施加壓力，攪拌針在相對工件高速旋轉(zhuǎn)的同時沿著焊接方向行進(jìn)，在摩擦產(chǎn)熱和攪拌共同作用下，形成了攪拌摩擦焊焊縫。在對普通碳鋼、不銹鋼等具有更高熔點和硬度的金屬進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接時，焊接速度較慢，且不如電弧焊焊接質(zhì)量。此時，如果增大攪拌頭的轉(zhuǎn)速和壓力，雖然可以增大產(chǎn)熱，但卻加劇了攪拌頭的磨損，降低了攪拌頭的使用壽命。針對上述問題，常規(guī)的解決辦法是改變攪拌頭形狀、優(yōu)化焊接參數(shù)，但效果均不理想。有很多研究者就高熔點、高硬度金屬的攪拌摩擦焊焊接問題提出了解決方案，如專利(文件號CN101474718、CN101323054B、CN101850475A)都提出了利用電阻熱的攪拌摩擦復(fù)合焊接方法:在工件上方通以電流，電流流經(jīng)攪拌頭后，再流過工件，通過攪拌區(qū)的電阻熱和攪拌頭的攪拌摩擦作用完成焊接。專利(CN101474718)也提出了一種利用電阻熱的攪拌摩擦復(fù)合焊接不銹鋼的裝置及方法。但在上述專利所提出的焊接方法中，電流回路均為:電源一攪拌頭一焊縫區(qū)域一電源，這種做法需要在攪拌頭附近安裝類似于集流環(huán)或滑環(huán)的裝置，使高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭導(dǎo)電，這增加了裝置的復(fù)雜性；同時上述方法在實施過程中，由于接觸電阻的變化，將不可避免地導(dǎo)致攪拌頭內(nèi)部電阻產(chǎn)熱，影響其使用壽命。為了克服上述缺點，本發(fā)明專利提出了與上述專利不同的復(fù)合焊接方法，即利用流經(jīng)相鄰導(dǎo)體面的高頻電流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，對攪拌頭前方未成型的焊縫金屬加熱，從而解決高熔點難焊金 屬的攪拌摩擦焊焊接問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種高頻接觸-攪拌摩擦焊接裝置及焊接方法，無需集流環(huán)等為攪拌頭進(jìn)行通電的裝置，也無需擔(dān)心攪拌頭內(nèi)部電阻生熱的影響，利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，對攪拌頭前方局部待焊金屬高頻電阻加熱，再通過攪拌頭的攪拌摩擦作用，解決高熔點難焊金屬的攪拌摩擦焊焊接問題。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置，包括工作臺、兩個導(dǎo)電模塊、攪拌頭和高頻電源，所述工作臺絕緣并用于承托待焊接的兩塊被焊工件，該兩塊被焊工件之間留有待焊接的縫隙，且通有方向相反的低壓高頻電流；所述攪拌頭底部設(shè)有攪拌針，該攪拌針插入被焊工件之間的縫隙；所述導(dǎo)電模塊分別設(shè)在兩塊被焊工件上，并與高頻電源連接。進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)電模塊為分別與兩塊被焊工件接觸導(dǎo)電的兩個導(dǎo)電滾輪，且該導(dǎo)電滾輪在被焊工件上的滾動與攪拌頭同步。作為優(yōu)選，所述高頻電源的頻率范圍為30 500kHz。進(jìn)一步的，所述導(dǎo)電滾輪的直徑為40 100mm，且該導(dǎo)電滾輪與攪拌針之間的距離為導(dǎo)電滾輪半徑的I 3倍。本發(fā)明還提供了一種上述復(fù)合焊接裝置進(jìn)行攪拌摩擦焊接的方法，包括以下步驟:a、將兩塊待焊工件的放在工作臺上，并保證待焊面相對并留有焊接縫隙，被焊工件與工作臺之間絕緣山、焊接時，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并使攪拌針插入被焊工件之間的縫隙，兩個工件焊接面之間在攪拌針的摩擦作用下填充金屬，從而使兩個工件之間形成導(dǎo)電通路；C、當(dāng)攪拌頭的軸肩接觸工件時，攪拌頭停止下壓并接通高頻電源，使高頻電流流經(jīng)各個待焊工件的焊接面和縫隙處的填充金屬產(chǎn)生高頻電阻熱，此時攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接；與此同時，所述導(dǎo)電滾輪與焊接速度相同，保證導(dǎo)電滾輪與攪拌頭同步。進(jìn)一步的，當(dāng)導(dǎo)電滾輪行進(jìn)至工件邊緣時，切斷高頻電源，在攪拌頭的單獨(dú)作用下完成攪拌摩擦焊接。有益效果:與現(xiàn) 有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:通過高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使兩個工件的待焊面和攪拌針前方金屬流過高頻電流，產(chǎn)生了高頻電阻熱，不僅降低了對攪拌頭摩擦產(chǎn)熱量的要求，而且降低了攪拌頭行進(jìn)的阻力，從而保證了高熔點金屬如碳鋼、不銹鋼的攪拌摩擦焊焊接；與相關(guān)專利相比，整個焊接裝置結(jié)構(gòu)簡潔、操作簡單，僅需要一對導(dǎo)電滾輪，無需集流環(huán)等為攪拌頭進(jìn)行通電的裝置，也無需擔(dān)心攪拌頭內(nèi)部電阻生熱的影響；結(jié)構(gòu)簡單實用，不僅有利于高熔點金屬的攪拌摩擦焊焊接，而且有利于保護(hù)攪拌頭，使其不易磨損、攪拌針不易折斷，提高了其使用壽命。


圖1為本發(fā)明所述高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明所述焊接方法的焊接流程示意圖。其中，工作臺1、導(dǎo)電滾輪2、攪拌頭3、攪拌針4、焊接縫隙5、高頻電源6、被焊工件7。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。本發(fā)明的原理:將兩個工件待焊面接近安置但不接觸，同時向兩個工件通以方向相反的低壓高頻電流。在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)作用下，高頻電流僅沿著工件的待焊表面流動，同時流過攪拌針4的前方金屬，使待焊工件局部產(chǎn)生了高頻電阻熱。這個電阻熱使攪拌針4前方金屬軟化，不僅降低了對攪拌頭3摩擦產(chǎn)熱量的要求，而且降低了攪拌頭3行進(jìn)的阻力；在電阻熱和摩擦熱以及攪拌頭3的共同作用下，形成高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊縫。如圖1所示，高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置包括工作臺1、兩個導(dǎo)電滾輪2、攪拌頭3和高頻電源6 ;其中工作臺I用于承待焊接的被焊工件7，且工作臺I與被焊工件7之間絕緣。將兩塊被焊工件7的待焊面靠近并放置在工作臺I上，兩者之間留有焊接縫隙5。所述攪拌頭3包括上部的軸肩和攪拌針4，將攪拌針4高速旋轉(zhuǎn)插入焊接縫隙5中。所述兩個導(dǎo)電滾輪2分別設(shè)在兩塊待焊工件上，并與被焊工件7接觸導(dǎo)電，該導(dǎo)電滾輪2與高頻電源6連接。在焊接前，被焊工件7必須壓緊在工作臺I上。焊接時，攪拌針4高速旋轉(zhuǎn)插入被焊工件7，此時開啟高頻電源6使兩個被焊工件7流通方向相反的高頻電流。在整個焊接過程中，不斷有金屬被攪拌針4卷入前方兩工件的焊接縫隙5處，在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)作用下，高頻電流僅沿著工件的待焊表面流動，并流經(jīng)攪拌針4前方的填充金屬，使待焊工件局部產(chǎn)生高頻電阻熱。于此同時，導(dǎo)電滾輪2位于攪拌頭3的前方，焊接時兩個導(dǎo)電滾輪2相對工件滾動，滾動速度與焊接速度相等。在本發(fā)明中，滾輪的作用不僅僅是導(dǎo)電，更重要的是滾輪始終在攪拌頭3前方一段距離，這樣就保證了只對介于滾輪與攪拌頭3之間工件待焊面進(jìn)行高頻電阻預(yù)熱，避免了預(yù)熱區(qū)域過大、能量無謂損耗的缺點。當(dāng)滾輪已行進(jìn)至工件邊緣時，停止高頻電源6工作。本發(fā)明中導(dǎo)電滾輪2采用銅或銅合金制成，直徑不宜過大，一般選擇在40 100mm。而高頻電源6的頻率范圍為30-500kHz，頻率越高集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)越明顯。為了厚度方向加熱均勻，焊接較厚工件時頻率稍低；由于有色金屬的導(dǎo)熱率較高，因此焊接有色金屬時，工作頻率要高。高頻電源6所能提供的電壓為·15-50V，電流為500-3000A。由于高頻電源6對待焊金屬起輔助預(yù)熱作用，其加熱目的不是熔化待焊面，而是促使待焊區(qū)金屬軟化，因此必須對其能量加以控制，在焊接時，可采用斷續(xù)工作的方法，使高頻電阻熱和摩擦熱形成較佳的組合。本方法和設(shè)備特別適用于難以使用常規(guī)攪拌摩擦焊方法進(jìn)行焊接的金屬，可用于普通碳鋼、不銹鋼、高合金鋼、銅合金、鈦合金的焊接；適用于開坡口、不開坡口的板料對接；也適用于直縫或環(huán)縫。當(dāng)進(jìn)行焊接時，應(yīng)該依據(jù)待焊材料的電阻率、板厚對焊接工藝進(jìn)行合理配置，考慮高頻電源6對攪拌頭3前方金屬的預(yù)熱影響，可讓高頻電流斷續(xù)工作，以有效組合高頻電阻熱、摩擦熱大小。下面以4_20mm厚的45鋼為焊接材料，進(jìn)行對接接頭焊接，依據(jù)本方法實施的具體焊接參數(shù)如下:工件待焊面間距0.2^0.5mm，攪拌頭3轉(zhuǎn)速為500-2000r/min，焊接速度為20(T600mm/min，攪拌頭3下壓力為10 30kN，高頻電源6頻率350 450kHz，電壓15 50V，電流為50(Γ3000Α，依據(jù)上述方法可獲得優(yōu)良的高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接接頭。請參見圖2，高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接流程為:
(1)對兩個工件的待焊面進(jìn)行打磨，去除毛刺和過于突出部位，使兩工件拼在一起時，保持待焊面之間的間距為0.2-0.5mm ；
(2)攪拌頭3旋轉(zhuǎn)下壓，兩個導(dǎo)電滾輪2壓緊工件；攪拌頭3的旋轉(zhuǎn)方向如圖1所示，也可以采用相反旋轉(zhuǎn)方向；
(3)當(dāng)攪拌針4插入工件、攪拌頭3的軸肩接觸工件時，攪拌頭停止下壓、高頻電源6開始工作，預(yù)熱時間過后，攪拌頭3開始向前移動，焊接時兩個導(dǎo)電滾輪2相對工件以焊接速度大小滾動；
(4)為了避免高頻電阻熱過大，導(dǎo)致預(yù)熱區(qū)域熔化，對高頻電源6采用斷續(xù)工作的方式，以合理分配高頻電阻熱和摩擦熱的分配；
(5)當(dāng)滾輪已行進(jìn)至工件邊緣時，切斷高頻電源6，在攪拌頭3的單獨(dú)工作下完成攪拌摩擦焊焊接；(6)當(dāng)攪拌頭3行進(jìn)至工件邊緣后，結(jié)束高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接過程。如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施實例已經(jīng)演示和闡述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié) 上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置，其特征在于:包括工作臺、兩個導(dǎo)電模塊、攪拌頭和高頻電源，所述工作臺絕緣并用于承托待焊接的兩塊被焊工件，該兩塊被焊工件之間留有待焊接的縫隙，且通有方向相反的低壓高頻電流；所述攪拌頭底部設(shè)有攪拌針，該攪拌針插入被焊工件之間的縫隙；所述導(dǎo)電模塊分別設(shè)在兩塊被焊工件上，并與高頻電源連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述導(dǎo)電模塊為分別與兩塊被焊工件接觸導(dǎo)電的兩個導(dǎo)電滾輪，且該導(dǎo)電滾輪在被焊工件上的滾動與攪拌頭同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述高頻電源的頻率范圍為30 500kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述導(dǎo)電滾輪的直徑為40 100mm，且該導(dǎo)電滾輪與攪拌針之間的距離為導(dǎo)電滾輪半徑的I 3倍。
5.一種利用權(quán)利要求1 4任一所述復(fù)合焊接裝置進(jìn)行攪拌摩擦焊接的方法，其特征在于包括以下步驟: a、將兩塊待焊工件的放在工作臺上，并保證待焊面相對并留有焊接縫隙，被焊工件與工作臺之間絕緣； b、焊接時，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并使攪拌針插入被焊工件之間的縫隙，兩個工件焊接面之間在攪拌針的摩擦作用下填充金屬，從而使兩個工件之間形成導(dǎo)電通路； C、當(dāng)攪拌頭的軸肩接觸工件時，攪拌頭停止下壓并接通高頻電源，使高頻電流流經(jīng)各個待焊工件的焊接面和縫隙處的填充金屬產(chǎn)生高頻電阻熱，此時攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接；與此同時，所述導(dǎo)電滾輪與焊接速度相同，保證導(dǎo)電滾輪與攪拌頭同步。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用復(fù)合焊接裝置進(jìn)行攪拌摩擦焊接的方法，其特征在于:當(dāng)導(dǎo)電滾輪行進(jìn)至工件邊緣時，切斷高頻電源，在攪拌頭的單獨(dú)作用下完成攪拌摩擦焊接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高頻接觸-攪拌摩擦復(fù)合焊接裝置及焊接方法，該裝置包括工作臺、兩個導(dǎo)電模塊、攪拌頭和高頻電源，所述工作臺絕緣并用于承托待焊接的兩塊被焊工件，該兩塊被焊工件之間留有待焊接的縫隙，且通有方向相反的低壓高頻電流；所述攪拌頭底部設(shè)有攪拌針，該攪拌針插入被焊工件之間的縫隙；所述導(dǎo)電模塊分別設(shè)在兩塊被焊工件上，并與高頻電源連接。本發(fā)明通過高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使兩個工件的待焊面和攪拌針前方金屬流過高頻電流，產(chǎn)生了高頻電阻熱，無需集流環(huán)等為攪拌頭進(jìn)行通電的裝置，也無需擔(dān)心攪拌頭內(nèi)部電阻生熱的影響；結(jié)構(gòu)簡單實用，不僅有利于高熔點金屬的攪拌摩擦焊焊接，而且提高了攪拌針其使用壽命。
文檔編號B23K20/12GK103212781SQ20131015630
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者陳書錦, 蘆笙, 盧阿麗, 楊代立 申請人:江蘇科技大學(xué)