钨极惰性气体保护电弧焊预热－搅拌摩擦焊接复合方法

摘要

一种用于焊接技术领域的钨极惰性气体保护电弧焊预热－搅拌摩擦焊接复合方法，本发明在焊缝的正面沿焊接方向依次布置钨极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊，并且钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上保持距离，钨极惰性气体保护焊枪固定在与搅拌头相联的滑动导杆上，钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头之间的距离通过导杆上的调节螺丝来调节，钨极惰性气体保护电弧首先施焊，然后搅拌头在电弧对焊缝预热的条件下，在压力作用下进行搅拌摩擦焊接。本发明能有效控制和减少焊接时搅拌头下压力，从而减少搅拌头的磨损，延长搅拌头的使用寿命，同时提高焊接速度和焊接质量，简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于焊接技术领域的焊接方法，具体是一种钨极惰性气体保护电弧焊预热-搅拌摩擦焊接复合方法。

背景技术

铝合金、镁合金以及其它一些有色金属在焊接时存在一系列的困难，主要表现为：较强的氧化能力；热传导系数大，焊接时易产生气孔、裂纹、变形大等缺陷；合金元素易烧损等。由于焊接加热使被焊金属性能降低，大大限制了其在飞机、船舶等结构中的应用。

经对现有技术的文献检索发现，张华等人在《航空材料学报》2004年4月，第24卷，第2期：6～10上发表的“AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头焊核区域成型过程及影响因素[J]”，该文中介绍了搅拌摩擦焊的方法：即利用特殊形状的搅拌头，通过向搅拌头施加压力，将其插入待焊材料的结合面，直到搅拌头的轴肩和母材表面接触。随着搅拌头的下降，搅拌头的表面与母材摩擦产生热量，并在其周围形成螺旋状的塑性流体，轴肩下面同时产生塑性流体，结合界面的金属在摩擦热的作用下处于热塑性状态，然后开始焊接。在搅拌头的驱动下，搅拌头和母材做相对运动。搅拌头做“搅拌”运动，是一个连续的热过程，产生塑性流体，从搅拌头的前部向后方移动，随着工件的移动，搅拌头后部的塑流材料冷却形成焊缝，在搅拌头压力作用下形成塑化连接。其不足之处是：工件接合部背面需要有足以承受搅拌头下压力的挡板或夹具；焊接速度较低；在热机械影响区中，由于该处晶粒受到搅拌头轴肩强烈的挤压作用，会使晶粒变得狭长；焊接接头晶粒尺寸分布不均匀也与焊接过程中摩擦热的分布有关系。当搅拌头下压力较小以及搅拌头压入量不足时，会使摩擦产热不足，从而不能产生足够的塑性流体材料，材料流动不充分，而且不能很好地围绕搅拌头旋转移动，不能完全填充下层空隙，容易在焊缝底部形成孔洞，造成未焊透。另外，当焊接某些特殊牌号的合金材料时焊接速度相对较慢；搅拌摩擦焊需要较大的焊接压力(机器人焊接时会产生较多问题)，也限制了这种新型连接技术在生产制造中的广泛应用。在搅拌摩擦焊接过程中，随着搅拌头与工件的摩擦加剧或摩擦时间的延长，搅拌头温度上升加快，使搅拌头高温强度降低，导致搅拌头的搅拌针断裂而使焊接质量严重下降。尤其是在焊接钢铁材料时，由于其硬度和强度相对有色金属要高很多，上述问题就更加明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种钨极惰性气体保护电弧焊预热-搅拌摩擦焊接复合方法，使其能有效控制和减少焊接时搅拌头下压力，从而减少搅拌头的磨损，延长搅拌头的使用寿命，同时提高焊接速度和焊接质量，简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明采用在焊缝的正面沿焊接方向依次布置钨极惰性气体保护电弧焊和搅拌摩擦焊，并且钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上保持距离，钨极惰性气体保护焊枪固定在与搅拌头相联的滑动导杆上，钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头之间的距离通过导杆上的调节螺丝来调节，钨极惰性气体保护电弧首先施焊，然后搅拌头在电弧对焊缝预热的条件下，在搅拌头压力作用下进行搅拌摩擦焊接。

本发明具体步骤如下：

(1)将洁净的焊件固定在夹紧机构上，焊缝背面加垫板；

(2)根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)、焊接电流、焊接速度、焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)、搅拌头旋转速度、保护气体、保护气流量、钨极直径、钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离；

(3)首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在搅拌头压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。

所述的钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头，在焊接方向上的距离为30～200mm。

所述的钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头，其焊缝接头型式为：I型坡口，对接或搭接或角接或T字形接头。

所述的搅拌头压力是20～100Mpa。

所述的焊件材料是铝合金或镁合金或钢铁材料。

所述的垫板是铜板或碳钢板或不锈钢板。

所述的搅拌头倾斜角为0～5°，焊接速度为80～600mm/min，焊枪角度为50～80°，搅拌头旋转速度为600～1800r/min，保护气流量为5～20L/min，钨极直径为0.8～2.2mm。

所述的焊接电流为30～200A，焊件材料是铝合金或镁合金的，焊接电流为交流，焊件材料是钢铁材料的，焊接电流为直流。

所述的保护气体是指：氩气或氦气。

本发明利用钨极惰性气体保护焊电弧对焊缝的预热可以有效减小搅拌头的下压力，改善了单独采用搅拌摩擦焊时，完全依靠搅拌头的下压力产生摩擦热来加热焊缝的弊端。由于明显减小搅拌头的下压力，因此搅拌头与焊件的摩擦力大大减少，使搅拌头的磨损程度大大下降，从而显著提高了搅拌头的使用寿命，提高了焊接质量和焊接速度。同时，钨极惰性气体保护焊的预热作用也避免了由于焊接压力不足，而不能产生足够的塑性材料，材料流动不充分，不能完全填充下层空隙，容易造成焊不透及产生大的孔洞的焊接缺陷。此外，利用如前所述的搅拌头下压力的减小以及钨极惰性气体保护焊对焊件的连接作用，可以大大减少原搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的较高要求，为该种新型连接技术在大批量工业产品的生产制造中的广泛应用打下基础。通过钨极惰性气体保护电弧焊预热，可以将热量传递给搅拌头前方待焊焊缝，这样就相当于对待焊焊缝进行了预热处理，利用该热源与搅拌头产生的摩擦热相叠加，改善了原来单独依靠搅拌头与焊件之间的摩擦热来完成焊接过程的局限。因此，在较低的焊接压力下，即可保证在焊缝中产生充足的塑性材料，焊核形状规则，能够完全焊透，焊缝成型良好。

本发明有效减小搅拌头与工件的摩擦力，降低搅拌头的磨损程度，使搅拌头始终处于较低的温度下运行，延长了搅拌头的使用寿命，同时提高了焊接速度和焊接质量，简化搅拌摩擦焊对焊接工装夹具的限制，使搅拌摩擦焊能够得到更为广泛的应用。

具体实施方式

实施例1

将洁净的厚度为1.6mm变形镁合金AZ31B(试样尺寸为300×100×1.6mm，焊缝接头型式为：对接，I型坡口，背面垫板为铜板)焊件固定在夹紧机构上；

根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)为0°；焊接电流为交流30A；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头的焊接速度均为600mm/min；焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为50°；搅拌头旋转速度为600r/min；保护气体为氩气；氩气流量为5L/min；钨极直径为0.8mm；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离为30mm；搅拌头压力为20Mpa。

首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。焊后得到的焊缝成型美观，表面无缺陷，焊缝强度可达母材的90％。搅拌头无明显磨损。

实施例2

(1)将洁净的厚度为3.6mm变形镁合金AZ31B(试样尺寸为300×100×3.6mm，焊缝接头型式为：搭接，I型坡口，背面垫板为碳钢板)焊件固定在夹紧机构上；

(2)根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)为2°；焊接电流为交流115A；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头的焊接速度均为340mm/min；焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为65°；搅拌头旋转速度为1200r/min；保护气体为氩气；氩气流量为10L/min；钨极直径为1.6mm；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离为115mm；搅拌头压力为60Mpa。

(3)首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。焊后得到的焊缝成型美观，表面无缺陷，焊缝强度可达母材的90％。搅拌头无明显磨损。

实施例3

(1)将洁净的厚度为8mm变形镁合金AZ31B(试样尺寸为300×100×8mm，焊缝接头型式为：角接，I型坡口，背面垫板为铜板)焊件固定在夹紧机构上；

(2)根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)为5°；焊接电流为交流200A；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头的焊接速度均为80mm/min；焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为80°；搅拌头旋转速度为1800r/min；保护气体为氩气；氩气流量为15L/min；钨极直径为2.2mm；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离为200mm；搅拌头压力为100Mpa。

(3)首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。焊后得到的焊缝成型美观，表面无缺陷，焊缝强度可达母材的85％。搅拌头无明显磨损。

实施例4

将洁净的厚度为4mm A5083轧制铝合金薄板(试样尺寸为300×100×4mm，焊缝接头型式为：T字形，I型坡口，背面垫板为不锈钢板)焊件固定在夹紧机构上；

(2)根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)为2°；焊接电流为交流130A；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头的焊接速度均为340mm/min；焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为65°；搅拌头旋转速度为1200r/min；保护气体为氦气；氦气流量为10L/min；钨极直径为1.6mm；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离为115mm；搅拌头压力为60Mpa。

(3)首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。焊后得到的焊缝成型美观，表面无缺陷，焊缝强度可达母材的85％。搅拌头无明显磨损。

实施例5

(1)将洁净的厚度为4mm奥氏体不锈钢304板材(试样尺寸为300×100×4mm，焊缝接头型式为：对接，I型坡口，背面垫板为铜板)焊件固定在夹紧机构上；

(2)根据焊件材料和厚度确定以下工艺参数：搅拌头倾斜角(搅拌头中心线与垂直于焊缝直线顺时针夹角)为2°；焊接电流为直流130A；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头的焊接速度均为340mm/min；焊枪角度(焊枪与焊缝所在平面之间的夹角)为65°；搅拌头旋转速度为1200r/min；保护气体为氩气；氩气流量为5L/min；钨极直径为1.6mm；钨极惰性气体保护焊枪与搅拌头在焊接方向上的距离为115mm；搅拌头压力为100Mpa。

(3)首先钨极惰性气体保护焊枪在焊件的焊缝端部引弧施焊，搅拌头随之同步向前移动，待搅拌头到达焊缝端部时，搅拌头插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在钨极电弧预热和搅拌头摩擦热的共同作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接；

(4)当钨极惰性气体保护焊枪和搅拌头分别到达焊缝末端时，钨极惰性气体保护焊枪息弧抬起，搅拌头抽出，完成焊接过程。焊后得到的焊缝成型美观，表面无缺陷，焊缝强度可达母材的85％。搅拌头无明显磨损。