本發(fā)明屬于焊接領域，涉及電焦耳效應和回軸式攪拌針，尤其涉及一種無匙孔攪拌摩擦焊厚板的裝置及方法。

背景技術：

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所(TWI)1991年發(fā)明的一種固相焊接方法。由于其焊接溫度低，被焊材料未熔化，故攪拌摩擦焊縫中不僅沒有熔焊缺陷，且無飛濺、無煙塵、無輻射、不需要保護氣體、不需要填充焊絲、不需要清渣、變形和應力小，是一種綠色環(huán)保低能耗的新型焊接技術。經(jīng)過20多年的發(fā)展，攪拌摩擦焊已在越來越多領域推廣應用，可以成功焊接鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鉛合金、不銹鋼、塑料等材料。但是實踐證明，將攪拌摩擦焊應用于工程焊接，還有許多難題需要解決，特別是攪拌頭提供的摩擦熱有限，摩擦焊接區(qū)溫度場呈現(xiàn)“上高下低”的淺漏斗狀，在焊縫根部易出現(xiàn)弱連接、未焊透等缺陷，故難于焊接鋁、鎂合金等厚板；焊接結束，隨著攪拌針的抽出會產生匙孔缺陷；由于厚板焊接的阻力大，變形困難，使得攪拌頭的磨損也比較嚴重。

攪拌摩擦焊接的原理為：將底板上的待連接工件通過夾具固定，防止工件在焊接過程中錯動。利用一個耐高溫的硬質材料制成具有一定形狀的攪拌工具，工具包括攪拌針、軸肩和夾持桿。將攪拌針高速旋轉插入被焊材料的連接處，攪拌針對材料進行強烈的攪拌和混合，當軸肩緊密接觸工件表面時，攪拌針停止向下插入，此時連接處不斷產生的摩擦熱使連接部位材料溫度升高形成塑性軟化區(qū)，然后攪拌頭沿焊縫向前直線移動，對材料進行攪拌摩擦來完成焊接。在焊接過程中，攪拌頭邊高速旋轉，邊沿工件的連接部位與工件相對移動，在攪拌針側面和旋轉方向產生的機械攪拌和頂鍛作用下，軟化層金屬填充攪拌針后方形成的空腔。攪拌針和軸肩摩擦接縫，破碎氧化膜，攪拌并重組攪拌針后方的磨碎材料。軸肩進行摩擦產熱,也用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。攪拌針后方的材料冷卻后形成焊縫。所以焊縫是在熱、機聯(lián)合作用下形成的固相連接。

通常，攪拌摩擦焊接內部的缺陷可以通過優(yōu)化軸肩和攪拌針的幾何形狀與加工參數(shù)來改善。但是，在攪拌摩擦焊接厚板過程中，軸肩與工件之間提供的摩擦熱主要集中在工件表面，難以達到焊縫根部，因此焊縫根部很難實現(xiàn)充分的塑性軟化和流動，容易產生根部缺陷，故難于焊接鋁、鎂合金等厚板，限制了攪拌摩擦焊在厚板連接中的廣泛應用。目前，通常采用焊后機加工或塞焊的方式消除匙孔，但效果都不夠好，通過攪拌針的回抽則是一種高效的匙孔消除技術。在現(xiàn)有技術中，有通過電阻絲、導熱塊裝置對軸肩加熱，將熱量傳給待焊工件，但是熱效率很低，且設備繁瑣，不易于操作，可焊工件的厚度有限。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術問題，而提供一種可焊接鋁、鎂合金厚板的攪拌摩擦焊裝置和方法，即無匙孔攪拌摩擦焊厚板的裝置及方法。本發(fā)明主要為待焊工件提供一套高效的輔熱系統(tǒng)，可以使被焊金屬快速達到粘塑性狀態(tài)，減輕攪拌頭頂鍛力，提高焊接速度，繼而提高了生產效率。還降低了厚板的根部缺陷，提高了接頭質量，減輕了攪拌頭的磨損，對于鋁、鎂合金等厚板的連接有重要的應用價值；同時，利用攪拌頭回抽，避免了攪拌摩擦焊匙孔的出現(xiàn)，提高了攪拌摩擦焊產品的質量。

本發(fā)明采用的技術手段如下：

一種無匙孔攪拌摩擦焊厚板的裝置，其特征在于，包括：

回抽式攪拌針系統(tǒng)，包括攪拌針固定座、設置在所述攪拌針固定座中心通孔上的回抽式攪拌針和固定底板，所述回抽式攪拌針的下端工作面凸出于所述攪拌針固定座的下端軸肩面，凸出長度與焊接工件厚度匹配，在所述攪拌針固定座下端的軸肩面圓周上均勻設置有多個鉻銅電極作為軸肩導電體，所述軸肩導電體隨所述攪拌針固定座的內部形式設置并延伸至所述攪拌針固定座的兩側壁端面；所述固定底板的上端面內嵌入有導電銅板，當所述回抽式攪拌針完全插入工件，所述攪拌針固定座下端軸肩面與焊接工件緊密接觸后，閉合開關，所述軸肩導電體、所述焊接工件和所述導電銅板構成導電通路；

攪拌針回抽傳動系統(tǒng)，包括攪拌針旋轉座和設置在所述攪拌針旋轉座中心通孔上的通過電機轉動控制的抽針主軸，所述攪拌針固定座和所述攪拌針旋轉座之間設有絕緣板且通過螺栓將三者緊固，實現(xiàn)所述回抽式攪拌針系統(tǒng)和所述攪拌針回抽傳動系統(tǒng)的連接；

電刷系統(tǒng)，設置在所述攪拌針固定座的兩側壁端面上，包括導電碳刷、彈簧、彈簧壓蓋、電刷盒、絕緣體和碳刷導線，所述導電碳刷與所述攪拌針固定座的兩側壁端面之間設有導電銅套；

電阻輔熱系統(tǒng)，所述固定底板內裝有開關與電源的一極相連，所述碳刷導線與所述電源的另一極相連，閉合開關通過電刷系統(tǒng)為電阻輔熱系統(tǒng)提供電流。

進一步地，所述導電碳刷、所述螺栓和所述攪拌針旋轉座外部均設有絕緣套。

本發(fā)明還公開了一種應用上述的無匙孔攪拌摩擦焊厚板的方法，其特征在于包括如下步驟：

S1、將焊接工件放置在所述固定底板設置有導電銅板的位置上；

S2、回抽式攪拌針插入工件，并且所述軸肩導電體與所述焊接工件接觸，通過施加外部電源，閉合開關，所述軸肩導電體、所述焊接工件和所述導電銅板與所述電刷系統(tǒng)及外部電源構成回路，依靠電焦耳效應產生足夠的熱量，提高所述焊接工件溫度，促進材料的塑性流動；

S3、隨著所述焊接工件溫度的提高，材料軟化，增大材料粘塑性，讓材料充分流動實現(xiàn)所述回抽式攪拌針對所述焊接工件(鋁、鎂合金等厚板材料)的攪拌摩擦焊，顯著的熱機作用，擴大材料再結晶區(qū)域，形成好的焊后組織；

S4、隨著焊接即將結束，所述攪拌針回抽傳動系統(tǒng)開始回抽上升，開始回抽位置到完全回抽位置的距離為攪拌針回抽量的5-10倍，當軸肩端面離開工件后，輔熱系統(tǒng)斷開，最終焊縫表面平齊，無匙孔。

本發(fā)明適用于因根部缺陷而難于進行連接的鋁、鎂合金等厚板；需要很大頂鍛力、需要便攜的攪拌摩擦焊接設備；因較高的熱輸入和大的焊接作用力而磨損嚴重的攪拌頭；常規(guī)攪拌摩擦焊接結束有匙孔產生，本發(fā)明利用攪拌針回抽，避免匙孔產生。

本發(fā)明結構簡單，控制精度高，成本低。即使在較冷的焊接條件下，使用小的旋轉速度比，鋁、鎂合金等厚板根部區(qū)域的溫度也能達到很高。但電流并不是完全流過焊縫，有部分通過攪拌頭、攪拌針固定座及固定底板而散失，要適當增加電流進行補償。

本發(fā)明使用外部電源提供電流，軸肩導電體、焊接工件和導電銅板與電刷系統(tǒng)及施加外部電源構成回路，因焦耳效應產生熱量，提高了該區(qū)域材料的粘塑性，可以實現(xiàn)對鋁、鎂合金等厚板的攪拌摩擦焊接。同時，使用回抽式攪拌針，不會產生匙孔缺陷?；爻樗俣扰c進給量可控制性好，回抽精度高，易于實現(xiàn)，操作簡單，提高了攪拌摩擦焊接效率和產品質量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明無匙孔攪拌摩擦焊厚板的裝置的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的安裝有鉻銅電極的攪拌針固定座的端部示意圖。

圖中：1、固定底板；2、導電銅板；3、焊接工件；4、電刷盒；5、絕緣體；6、導電碳刷；7、軸肩導電體；8、攪拌針旋轉座；9、絕緣套；10、絕緣板；11、彈簧；12、碳刷導線；13、彈簧壓蓋；14、導電銅套；15、攪拌針固定座；16、回抽式攪拌針；17、抽針主軸。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，一種無匙孔攪拌摩擦焊厚板的裝置，包括：

回抽式攪拌針系統(tǒng)，包括攪拌針固定座15、設置在所述攪拌針固定座15中心通孔上的回抽式攪拌針16和固定底板1，所述攪拌針固定座15為設置在下端的法蘭，所述攪拌針固定座15的下端為軸肩端面，回抽式攪拌針16設置在法蘭的中心通孔內，所述回抽式攪拌針16的下端工作面凸出于所述攪拌針固定座15的下端軸肩面，凸出長度與焊接工件3厚度匹配，在所述攪拌針固定座15下端的軸肩面圓周上均勻設置有軸肩導電體7，所述軸肩導電體7是在軸肩端面上嵌有由6個鉻銅電極組成，且與軸肩平齊；所述軸肩導電體7隨所述攪拌針固定座15的內部形式設置并延伸至所述攪拌針固定座15的兩側壁端面，即圖中所示的“L”型分布，在下法蘭兩側壁端面的鉻銅電極與導電銅套14相連；所述固定底板1的上端面內嵌入有導電銅板2(也為鉻銅電極)，當所述回抽式攪拌針16完全插入工件，所述攪拌針固定座15下端軸肩面與焊接工件3緊密接觸后，所述軸肩導電體7、所述焊接工件3和所述導電銅板2構成導電通路；

攪拌針回抽傳動系統(tǒng)，包括攪拌針旋轉座8和設置在所述攪拌針旋轉座8中心通孔上的通過電機轉動控制的抽針主軸17，所述攪拌針旋轉座8為設置在上端的法蘭，上端法蘭帶有花鍵槽和平鍵槽，花鍵下端通過花鍵軸承套與下端法蘭連接，花鍵上安裝所述抽針主軸17；所述攪拌針固定座15和所述攪拌針旋轉座8之間設有絕緣板10，上端法蘭通過平鍵與所述回抽式攪拌針16上部相連，所述上端法蘭通過4個螺栓豎直向下穿過上端法蘭、絕緣板10、下端法蘭而不穿出下端法蘭，連接并緊固裝置，實現(xiàn)所述可回抽式攪拌針系統(tǒng)和所述攪拌針回抽傳動系統(tǒng)的連接。

電刷系統(tǒng)，設置在所述攪拌針固定座15的兩側壁端面上，包括導電碳刷6、彈簧11、彈簧壓蓋13、電刷盒4、絕緣體5和碳刷導線12，所述導電碳刷6與所述攪拌針固定座15的兩側壁端面之間設有導電銅套14；所述導電碳刷6、所述螺栓和所述攪拌針旋轉座8外部均設有絕緣套。

電阻輔熱系統(tǒng)，所述固定底板1內裝有開關與電源的一極相連，所述碳刷導線12與所述電源的另一極相連，閉合開關通過電刷系統(tǒng)為電阻輔熱系統(tǒng)提供電流。

一種應用上述的無匙孔攪拌摩擦焊厚板的方法，包括如下步驟：

S1、將焊接工件3放置在所述固定底板1設置有導電銅板2的位置上；

S2、回抽式攪拌針16插入工件，并且所述軸肩導電體7與所述焊接工件3接觸，通過施加外部電源，閉合開關，所述軸肩導電體7、所述焊接工件3和所述導電銅板2與所述電刷系統(tǒng)及施加外部電源構成回路，依靠電焦耳效應產生足夠的熱量，提高所述焊接工件3溫度；溫度增量與材料密度、比熱、電阻率，電流強度，通電時間，鉻銅直徑及散失熱量的質量有關。

S3、隨著所述焊接工件3溫度的提高，材料軟化，增大材料粘塑性，讓材料充分流動實現(xiàn)所述回抽式攪拌針16對所述焊接工件3(鋁、鎂合金等厚板材料)的攪拌摩擦焊，顯著的熱機作用，擴大材料再結晶區(qū)域，形成好的焊后組織；

S4、隨著焊接即將結束，所述攪拌針回抽傳動系統(tǒng)開始回抽上升，開始回抽位置到完全回抽位置的距離為攪拌針回抽量的5-10倍，當軸肩端面離開工件后，輔熱系統(tǒng)斷開，最終焊縫表面平齊，無匙孔。

實施例

對20mm厚AA2024-T3鋁合金冷軋板進行對接。行進速度200mm/min,旋轉速度1100r/min，軸肩壓下量0.2mm，進行未通入電流和通入電流強度60A兩組攪拌摩擦焊接。通入電流試樣在焊接過程中的根部溫度比未通入電流樣品的根部溫度增加了62℃。

對20mm厚AA6082-T6鋁合金冷軋板進行對接。行進速度200mm/min，旋轉速度1200r/min，軸肩壓下量0.2mm，進行未通入電流和通入電流強度90A兩組攪拌摩擦焊接。通入電流試樣在焊接過程中的根部溫度比未通入電流樣品的根部溫度增加了53℃。

對20mm厚AA7075-T6鋁合金冷軋板進行對接。行進速度200mm/min，旋轉速度1200r/min，軸肩壓下量0.2mm，進行未通入電流和通入電流強度80A兩組攪拌摩擦焊接。通入電流試樣在焊接過程中的根部溫度比未通入電流樣品的根部溫度增加了50℃。

由此可以看出，本發(fā)明明顯增加了焊接熱輸入。對于回抽系統(tǒng)，抽針主軸通過電機轉動而旋轉，抽針上端留有螺紋，安裝滾珠絲桿螺母副，焊接快要結束時，通過電機可使抽針在旋轉的同時回抽向上直線運動，回抽進給量可精確到0.01mm。至焊接結束，不會出現(xiàn)匙孔。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。