CN101474718B - 一种电阻热的搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻热的搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，包括电源、变压器和搅拌头，电源的两个输出端通过电缆与变压器的输入端相连，变压器的一个输出端通过电缆与垫板连接，垫板用于放置被焊接工件，变压器的另一个输出端通过电缆与电刷连接，电刷与位于搅拌头上端凹槽内的铜环接触。采用该装置焊接时，调整变压器形成低压大电流，搅拌针在电机的驱动下旋入两焊接工件之间，低压大电流电路导通，在被焊接工件上产生较高的电阻热，焊缝处的材料在摩擦产热和电阻热的高温作用下发生塑化，在搅拌针后部形成焊缝。能够实现不锈钢的搅拌摩擦焊接，减少搅拌头的磨损，增加搅拌头的焊接长度，延长搅拌头的使用寿命，装置结构简单，易于实现，成本较低。

Description

一种电阻热的搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法

技术领域

本发明属于金属焊接领域，涉及一种搅拌摩擦焊接不锈钢的装置及方法，特别涉及一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法。

背景技术

不锈钢作为现代工业中一种重要材料，具有高强度、耐腐蚀、易加工等许多优异的特性，被广泛应用于船舶、车辆、汽车及家电设备等行业。在不锈钢加工工艺中，焊接成为必不可少的加工技术。目前，采用传统熔焊工艺焊接不锈钢时存在诸多问题：例如，奥氏体不锈钢易形成方向性强的柱状晶，利于杂质偏析而产生凝固裂纹；铁素体不锈钢在高的热循环作用下，铁素体晶粒易于长大，导致接头脆化；马氏体不锈钢易形成冷裂纹等。这使得采用传统的熔焊方法焊接不锈钢时难以获得理想的焊缝，在一定程度上限制了不锈钢的应用。

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年开发的一种新型固相焊接技术。搅拌摩擦焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织细化和均匀化。焊接过程中较低的热循环作用，减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性。搅拌摩擦焊接技术克服了传统熔焊工艺焊接不锈钢时出现的问题，为不锈钢焊接提供了一条极具发展潜力的途径。

但相对镁合金、铝合金等低熔点材料而言，由于不锈钢具有较高的强度和硬度，显著增加了不锈钢搅拌摩擦焊接的难度。尤其是不锈钢搅拌摩擦焊接时，搅拌头承受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，因而对搅拌头的材料提出了较高的要求。因此，设计开发成本低廉且使用寿命长 的搅拌摩擦焊用搅拌头成为解决不锈钢搅拌摩擦焊接的关键问题。不锈钢焊接时，温度高达1000℃以上，在如此高的温度下能满足使用要求的材料往往是难熔金属合金或结构陶瓷，这些材料的制造和加工难度都较大。目前，大多采用多晶立方氮化硼和钨基合金作为搅拌头材料。钨基合金韧性较好，焊接过程中不易发生脆性破坏，但较易发生磨损，且价格昂贵(约4万元/Kg)。而多晶立方氮化硼的耐磨性较好，材料成本相对较低，但其韧性较差，易于脆断，而且商用的PCBN主要为美国所垄断。由此可见，目前设计开发成本低廉，性能优良的搅拌头尚存在较大难度，导致不锈钢的搅拌摩擦焊接受到较大限制。

综上所述，要实现不锈钢的搅拌摩擦焊接，除了需要对搅拌头的材料、形状及尺寸做改进外，还需要在搅拌摩擦焊接过程中采用辅助加热工艺。利用辅助热源的高温作用将工件软化，使得施以较小的工作负荷就能驱动搅拌头移动，补偿搅拌头与工件摩擦产热的不足，增加金属的塑性流动，保证不锈钢搅拌摩擦焊接的实现。再者，在一定程度上降低对搅拌头材料高性能的要求，使得在不锈钢搅拌摩擦焊接过程中，使用焊接低熔点材料所用搅拌头成为可能，减轻了高性能搅拌头对不锈钢搅拌摩擦焊接的制约作用。同时，辅助加热工艺有效减少搅拌头的磨损，增加搅拌头的有效焊接长度，从而延长其使用寿命。从国内外的相关报道可见，辅助热源的形式有激光辅助热源、等离子辅助热源、电弧辅助热源和加热管辅助热源。但这些辅助热源及其装置在使用过程中都存在一些问题。例如，激光作为辅助热源，工件表面对其能量的反射较严重，热损失较多；等离子和电弧辅助热源的装置结构复杂，价格昂贵；加热管的加热效率低，加热时间长，大大降低了搅拌摩擦焊接的效率。

发明内容

针对上述现有技术中不锈钢搅拌摩擦焊接辅助加热技术存在的缺陷或 不足，本发明的目的在于，提供一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置及其方法，利用不锈钢材料本身高电阻率的特点，可有效焊接不锈钢材料。

为了实现上述任务，本发明所采用的技术方案是：

一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，包括电源、变压器和搅拌头，搅拌头上有由电机驱动的轴肩和搅拌针；其特征在于，所述电源的两个输出端通过电缆与变压器的输入端相连，变压器的一个输出端通过电缆与垫板连接，所述的垫板用于放置被焊接工件，变压器的另一个输出端通过电缆与电刷连接，所述的电刷与位于搅拌头上端凹槽内的铜环接触。

上述电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置用于焊接不锈钢的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将两被焊接工件置于垫板的上表面，对接并压紧；

2)把变压器的电压降至2V～20V，使电流升高至200A～3000A，形成低压大电流；

3)将搅拌头上的搅拌针在电机的驱动下慢慢旋入两被焊接工件之间，当轴肩接触两被焊接工件时，搅拌头对被焊接工件施加一定的压力，使搅拌针和被焊接工件紧密接触；此时，低压大电流导通，因被焊接工件自身存在高的电阻，则电流在被焊接工件处产生较高的热量，该热量补偿了搅拌头与被焊接工件摩擦产热的不足；同时，搅拌针在开始沿焊缝方向以一定的速度移动，被焊接工件的焊缝处的材料在摩擦产热和电阻热的叠加产生的高温作用下，呈现高温粘塑性状态，在搅拌针后部形成焊缝，使被焊接工件焊接在一起。

本发明的电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，为不锈钢的搅拌摩擦焊接提供了一种有效的焊接平台，采用本发明的装置进行不锈钢的 焊接，可有效降低不锈钢搅拌摩擦焊接的难度。同时，减少搅拌头的磨损，增加搅拌头的焊接长度，延长搅拌头的使用寿命，而且该发明的装置简单，易于实现，成本较低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中的标号分别表示：1、电源，2、电缆，3、电缆，4、变压器，5、电缆，6、电缆，7、电刷，8、铜环，9、搅拌头，10、轴肩，11、搅拌针，12、被焊接工件(左)，13、被焊接工件(右)，14、垫板，K₁、电源输出端，K₂、电源输出端，K₃、变压器输入端，K₄、变压器输入端，K₅、变压器输出端，K₆、变压器输出端。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，包括电源1、变压器4和搅拌头9，搅拌头9上有由电机驱动的轴肩10和搅拌针11；电源1的两个输出端(K₁、K₂)分别与变压器4的两个输入端(K₃、K₄)通过电缆(2、3)相连，变压器4的一个输出端K₆通过电缆6与垫板14连接，垫板14用于放置被焊接工件，另一个输出端K₅通过电缆5与电刷7连接。电刷7与位于搅拌头9上端凹槽内的铜环8接触，以保证电刷7在搅拌头9的旋转移动过程中，与搅拌头9之间电流的可靠传输。

采用上述电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置用于焊接不锈钢的方法，包括下列步骤：

将两被焊接工件置于垫板的上表面，对接并压紧；电源1经过变压器4将电压降至2V～20V，使电流升高至200A～3000A，形成低压大电流，变压器4的输出端K5经过电缆5、电刷7、铜环8和搅拌头9及其搅拌针11送至被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)的上表面，变压器的另一输出端K6经过电缆6和垫板14送至被焊接工件12(左)和被焊接工件13 (右)的下表面。

搅拌摩擦焊接时，被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)对接并被压紧后，搅拌针11在电机的驱动下慢慢旋入被焊接工件12(左)和被焊接工件13(右)之间，当搅拌头9上的搅拌针11接触被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)上表面时，搅拌头9对被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)施加一定的压力，此时，低压大电流被导通，因被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)自身存在高的电阻，则电流在被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)上可产生较高的热量，大大补偿了搅拌头9与被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)摩擦产热的不足。同时，搅拌头9带动搅拌针11开始沿焊缝方向以一定的速度移动，焊缝处的材料在搅拌针11摩擦产热和电阻热的高温叠加作用下，呈现高温粘塑性状态，在搅拌针11后部形成焊缝，将被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)焊接在一起。由于搅拌针11与被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)之间的相对运动，焊缝处的材料产生的高温粘塑性状态在焊缝内部也产生相对运动，在热激活作用下，这层呈现高温粘塑性状态的材料发生动态再结晶，使被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)通过相互扩散与再结晶，从而焊接在一起，待被焊接工件12(左)、被焊接工件13(右)的焊缝全部完成后，整个焊接过程完成。

以下是发明人给出的具体的实施例，本发明不限于这些实施例。

具体实施例1：

焊接3mm厚的316不锈钢，搅拌头为钨合金钢，轴肩直径为16mm，搅拌针直径为5mm，长度为2.9mm。采用本发明的电阻热——搅拌摩擦复合焊接工艺，搅拌头的旋转速度为950r/min，焊接速度为60mm/min，辅助电流为1000A。焊接长度为150mm，经焊接后的不锈钢焊接接头的抗拉强度达到母材的86％，搅拌头磨损较轻。

在没有辅助热源的条件下，进行搅拌摩擦焊接，无法形成有效连接，且搅拌头磨损严重。

具体实施例2：

焊接3mm厚的304不锈钢，搅拌头为钨合金钢，轴肩直径为16mm，搅拌针直径为5mm，长度为2.9mm。采用本发明的电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置进行焊接，搅拌头的旋转速度为950r/min，焊接速度为60mm/min，辅助电流为1000A，焊接长度为142mm。经焊接后的不锈钢焊接接头的抗拉强度达到母材的85％，搅拌头磨损较轻。

在没有辅助热源的条件下，进行搅拌摩擦焊接，无法形成有效连接，且搅拌头磨损严重。

上述实施例可以看出，采用本发明的装置进行不锈钢的焊接，可有效降低不锈钢搅拌摩擦焊接的难度。同时，减少搅拌头的磨损，增加搅拌头的焊接长度，延长搅拌头的使用寿命。

Claims (2)

1.一种电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置，包括电源(1)、变压器(4)和搅拌头(9)，搅拌头(9)上有由电机驱动的轴肩(10)和搅拌针(11)；其特征在于，所述的电源(1)的两个输出端通过电缆与变压器(4)的输入端相连，变压器(4)的一个输出端通过电缆与垫板(14)连接，变压器的电压为2V～20V，电流为1000A，所述的垫板(14)用于放置被焊接工件，变压器(4)的另一个输出端通过电缆与电刷(7)连接，所述的电刷(7)与位于搅拌头(9)上端凹槽内的铜环(8)接触。

2.权利要求1所述的电阻热——搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置用于焊接不锈钢的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将两被焊接工件置于垫板的上表面，对接并压紧；

2)把变压器的电压降至2V～20V，使电流升高至1000A，形成低压大电流；

3)将搅拌头上的搅拌针在电机的驱动下慢慢旋入两被焊接工件之间，当轴肩接触两被焊接工件时，搅拌头对被焊接工件施加一定的压力，使搅拌针和被焊接工件紧密接触；此时，低压大电流导通，因被焊接工件自身存在高的电阻，则电流在被焊接工件处产生较高的热量，该热量补偿了搅拌头与被焊接工件摩擦产热的不足；同时，搅拌针在开始沿焊缝方向以一定的速度移动，被焊接工件的焊缝处的材料在摩擦产热和电阻热的叠加产生的高温作用下，呈现高温粘塑性状态，在搅拌针后部形成焊缝，使被焊接工件焊接在一起。

Images