上、下轴肩逆向旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法

摘要

上、下轴肩逆向旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法，它涉及一种自持式搅拌摩擦焊接方法，以解决上、下轴肩直径不相等、但同向等速旋转，焊接过程中，存在焊接热输入大、工件易变形，搅拌针存在断裂倾向，焊缝区温度场、接头组织和残余应力分布不对称，导致接头性能不对称，降低了焊接结构承载能力的问题。方法：一、搅拌头尺寸确定：根据第一被焊工件和第二被焊工件的厚度确定上轴肩、搅拌针及下轴肩的直径；二、确定搅拌针使用长度；三、固定第一被焊工件和第二被焊工件；四、搅拌头定位；五、对第一被焊工件与第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接：上轴肩与搅拌针为一体制成，下轴肩与上轴肩转动方向相反。本发明用于自持式搅拌摩擦焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自持式搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

专利申请号为2010102964802的发明专利申请公开了一种《上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊接方法及其搅拌头》，该申请搅拌头采用的是下轴肩的直径小于上轴肩的直径，焊接过程中，上轴肩与下轴肩的旋转方向相同，且二者等速旋转，下轴肩起到了常规搅拌摩擦焊背部垫板的作用，但由于焊接过程中下轴肩与工件下表面产生较大的摩擦力，增大了焊接热输入，并使被焊工件和搅拌针均承受较大的扭矩，易使工件变形和搅拌针断裂。此外，上、下轴肩同向旋转会造成焊缝两侧材料流动的不对称，进而引起搅拌摩擦焊接温度场、接头组织和残余应力分布的不对称，最终导致接头性能不对称，使焊接结构的承载能力降低。

发明内容

本发明的目的是为解决上、下轴肩同向旋转引起的焊接热输入大，工件易变形，搅拌针存在断裂倾向，焊缝区温度场、接头组织和残余应力分布不对称，导致接头性能不对称，降低了焊接结构承载能力的问题，提供一种上、下轴肩逆向旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、搅拌头尺寸确定：根据第一被焊工件和第二被焊工件的厚度确定上轴肩直径、搅拌针直径及下轴肩直径：上轴肩直径为被焊工件厚度的2.8～3倍，搅拌针直径为被焊工件厚度的1～1.25倍，下轴肩直径为被焊工件厚度的2.5～2.7倍；

步骤二、确定搅拌针的使用长度：调整上、下轴肩相对位置使上轴肩的下端面与下轴肩的上端面之间的距离比工件厚度小0.01mm～0.6mm，该距离T即为搅拌针的使用长度；

步骤三、固定第一被焊工件和第二被焊工件：将第一被焊工件和第二被焊工件用夹具固定在工作台上；

步骤四、搅拌头定位：将搅拌头移至工件外侧进行定位，使上轴肩下端面与第一被焊工件和第二被焊工件的上端面重合，或上轴肩下端面低于第一被焊工件和第二被焊工件的上端面0.01～0.3mm，搅拌针的轴心线位于第一被焊工件与第二被焊工件的对接面处；

步骤五、对第一被焊工件与第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接：上轴肩与搅拌针为一体制成，上轴肩的转速为200转/分钟～3000转/分钟，下轴肩与上轴肩旋转方向相反，下轴肩的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿第一被焊工件与第二被焊工件的对接面长度方向行走，直至焊接完成。

本发明具有以下优点：一、上轴肩与搅拌针驱动被焊材料沿某一旋向流动，下轴肩驱动被焊材料沿相反方向流动，上、下被焊材料逆向流动会发生一定程度的中和，从而降低搅拌摩擦焊接头组织与性能的不对称性，提高搅拌摩擦焊接头的力学性能。二、上轴肩和搅拌针对被焊材料的扭矩与下轴肩对被焊材料的扭矩发生部分抵消，从而降低搅拌头整体对被焊材料的扭矩作用，有利于降低装夹要求，提高生产效率。三、下轴肩与搅拌针相互分离，减小了焊接过程中搅拌针所承受的扭矩，从而降低了搅拌针的断裂倾向。四、下轴肩直径小于上轴肩直径，可以减小焊接过程中的热输入，从而降低接头软化程度。五、通过调整上、下轴肩的相对位置，可以焊接多种厚度的工件。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一中的步骤一中搅拌头的结构主剖视图，图2是本发明具体实施方式一中步骤四搅拌头与第一被焊工件4和第二被焊工件5在焊接时的相对位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、搅拌头尺寸确定：根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的厚度t确定上轴肩直径φ1、搅拌针直径φ2及下轴肩直径φ3：上轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的2.8～3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1～1.25倍，下轴肩直径φ3为被焊工件厚度t的2.5～2.7倍；根据第一被焊工件4和第二被焊工件5的厚度来选择搅拌头的各部分的尺寸，以保证焊缝的成形及接头质量的稳定性；

步骤二、确定搅拌针的使用长度：调整上、下轴肩相对位置使上轴肩1的下端面与下轴肩3的上端面之间的距离T比工件厚度t小0.01mm～0.6mm，该距离T即为搅拌针的使用长度；

步骤三、固定第一被焊工件4和第二被焊工件5：将第一被焊工件4和第二被焊工件5用夹具固定在工作台上；第一被焊工件4与第二被焊工件5的上端面在同一平面内；

步骤四、搅拌头定位：将搅拌头移至工件外侧进行定位，使上轴肩1下端面与第一被焊工件4和第二被焊工件5的上端面重合，或上轴肩1下端面低于第一被焊工件4和第二被焊工件5的上端面0.01～0.3mm，搅拌针2的轴心线位于第一被焊工件4与第二被焊工件5的对接面处；上轴肩1下端面低于第一被焊工件4和第二被焊工件5上端面，以调整上、下轴肩的受力情况；

步骤五、对第一被焊工件4与第二被焊工件5进行搅拌摩擦焊接：上轴肩1与搅拌针2为一体制成，上轴肩1的转速为200转/分钟～3000转/分钟，下轴肩3与上轴肩1转动方向相反，下轴肩3的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿第一被焊工件4与第二被焊工件5的对接面长度方向行走，直至焊接完成。焊接时，上轴肩1的上端与焊机的上主轴相连接，下轴肩3的下端与焊机的下主轴相连接，搅拌针完全穿透被焊工件对接面，这样可以有效避免焊接根部缺陷的形成。通过调整上轴肩1与下轴肩3的间隙，可以实现多种厚度工件的焊接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一中上轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1倍，下轴肩直径φ3为被焊工件厚度t的2.8倍。上述搅拌头尺寸可保证焊缝成形的稳定性。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤二中上轴肩1的下端面与下轴肩3的上端面之间的距离T比工件厚度t小0.3mm。上述数值使得搅拌摩擦焊接效果最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤四中上轴肩1下端面低于第一被焊工件4和第二被焊工件5的上端面0.15mm。上述数值使得搅拌摩擦焊接效果最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤五中上轴肩1的转速为800转/分钟，下轴肩3的转速为800转/分，焊接速度为200毫米/分钟。上述焊接参数为搅拌摩擦焊的最佳工艺参数值。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤五中上轴肩1的转速均为800转/分钟，下轴肩3的转速为600转/分，焊接速度为150毫米/分钟。上述焊接参数为搅拌摩擦焊的最佳工艺参数值。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的步骤五中上轴肩1的转速为600转/分钟，下轴肩3的转速为800转/分，焊接速度为100毫米/分钟。上述焊接参数为搅拌摩擦焊的最佳工艺参数值。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的搅拌头由上轴肩1、搅拌针2、下轴肩3组成，搅拌针2垂直于上轴肩1的下端面设置，且搅拌针2与上轴肩1制成一体，下轴肩3套装在搅拌针2的外表面上，且下轴肩3与搅拌针2可相对上、下滑动，下轴肩3的直径小于上轴肩1的直径。