CN101774079B - 搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置，它采用可跟随搅拌头移动的保温箱，对处于焊接后的焊缝及母材进行保温，随即进行随炉冷却，以此达到降低搅拌摩擦焊表面的残余应力。该装置主要由吸盘式装夹夹具、保温箱和控制设备组成，保温箱体材料主要由耐火砖、石棉和钢板组成。当焊接进行时，保温箱随搅拌头移动，不断将焊接后的工件进行保温，焊接结束后，整个工件全部进入保温箱保温，保温的温度为材料的热处理临界温度，保温一定时间后进行随炉冷却，从而控制焊接的表面残余应力及变形，本装置在整个焊接过程中实现全程自动化，避免因人为原因造成的焊接质量下降。本发明装置简单，操作方便，技术经济效益高，能保证搅拌摩擦焊的焊接质量。

Description

搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机械加工法及装置，尤其是一种搅拌摩擦焊加工方法及装置，具体地说是一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置。

背景技术

众所周知，搅拌摩擦焊与传统的熔化焊接方法、离子束焊接及激光等焊接方法相比，其热输入量低，焊后的变形尺寸较小。但是在实际的产品焊接过程中发现，搅拌摩擦焊焊后的表面残余应力分布存在着一定的不均匀性，焊后的变形随着板厚的减小表现尤为突出。目前国内外对搅拌摩擦焊表面残余应力的处理方法较少，大部分集中在变形处理上，变形处理主要是夹具的改进以及焊后的矫正方面，这些方法在一定的程度上解决了变形的问题，但随后带来的残余应力分布更加的不均匀性，严重降低了搅拌摩擦焊焊接的产品使用性能。而且这些方法所用的设备比较庞大，成本较高，在实际的应用中得到很大的限制。

申请号为200510105425.X，发明名称为《采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置的中国专利公开了一种采用可跟随搅拌头移动的热沉，对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却，从而控制焊接应力与变形的方法。这种方法只能局部的控制焊接应力和变形，而不能从整体上控制整个的焊接材料的焊接应力和变形，因此其应用还是存在一定的局限性。

申请号为200910115722.0，发明名称为《一种搅拌摩擦焊焊缝变形的控制方法》的中国专利公开了一种在搅拌头对工件搅拌摩擦生热、形成焊缝后，焊接金属还处在热塑性状态或稍低于热塑性温度区间，碾压装置对焊缝进行碾压，使得焊缝金属有效延展，消除或减少焊接接头的变形方法。这种方法只解决了焊缝处的焊接变形，而且造成焊缝周围材料的表面残余应力增大，另外碾压力还降低了焊缝的厚度，产生了严重的减薄效应，因此此种焊接方法对于要求高的零部件焊接受到限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有的针对搅拌摩擦焊应力及变形所采用的方法存在只能局部控制变形及应力，无法获得理想的焊缝质量等一系列问题，发明一种在焊接过程中通过保温处理直接消除表面应力以获得理想的焊接质量的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法及装置。。

本发明的技术方案之一是：

一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法，其特征是在被焊接件上罩装一个能随搅拌头同步移动的保温箱，并在固定被焊接件工件的夹具底部安装保温层，利用夹具底板作为保温箱的底板，将搅拌摩擦焊接后的焊缝罩装在保温箱中，并根据罩装焊缝的长度调节保温箱中的温度，使之恒定在所需的保温温度值范围之内，并在焊接结束后根据所焊接材料的性能，保温约0.5-2小时以消除焊缝处的表面残余应力。

本发明的技术方案之二是：

一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制装置，其特征是它主要由吸盘式装夹夹具25、保温箱26和固定架7组成，所述的吸盘式装夹夹具25主要由底座1、石棉隔热层2、平钢板3和电磁压板16组成，底座1的两侧向上延伸形成保温箱导轨4，石棉隔热层2安装在两侧保温箱导轨4之间的底座1的上表面上，平钢板3位于石棉隔热层2上，被焊接件5置于平钢板3上，电磁压板16分别置于两块被焊接件5之上，底座1中镶装有电磁块，电磁块通过导线与电磁控制器14相连；所述的保温箱26主要由前挡板18、后挡板19、罩盖12、加热元件11和温度传感器组成，其中后挡板19通过螺钉固定在吸盘式装置夹具25的底座1上，前挡板18与罩盖12整体相连，罩盖12通过两侧底部所设的与吸盘式装置夹具25中的保温箱导轨4相配的导槽27活动安装在吸盘式装置夹具25的导轨4上，罩盖12通过固定架7与安装有搅拌头6的主轴套8相连，从而使保温箱26在搅拌头6的带动下沿导轨4移动；所述的加热元件11和温度传感器均与温度控制器13电气连接；所述的温度控制器13和电磁控制器14均与控制用计算机15相连。

所述的罩盖12、前挡板18和后挡板19均有三层材料组成，分别为最内层材料22、中间层材料21和最外层材料20，其中最内导层材料22为耐火砖，中间层材料21为石棉，最外层材料20为钢板，所述的加热元件11及温度传感器安装在最内层材料22中。

本发明的有益效果：

本发明采用吸盘式装夹夹具，其由三层材料组成，最低层为基材，采用绝缘材料，在基材里面镶有两块电磁块，并通过电磁控制器控制其磁场方向和磁场力大小，在基材上表面铺有一层石棉，目的是保护焊接材料的温度不从底部散失，在石棉上面铺有一层薄钢板，以保证工件的水平平整性。焊接材料放置薄钢板上，并在焊接材料上方压制对称压制两块电磁压板，底层电磁通电后，即将焊接材料上方的电磁压板牢牢吸住，以达到装夹固定双重作用。此吸盘式装夹夹具功能既实现了装夹固定作用，又实现了底部保温和工作台作用。

本发是有的保温箱安装在吸盘式装夹夹具保温箱导轨上，其侧壁底部与吸盘式装夹夹具相接触，吸盘式装夹夹具构成保温箱的底部，保温箱顶端通过固定架安装到主轴套上，主轴套固定不动，因此当焊接搅拌头向前移动时，主轴套移动带动固定架移动，从而带动保温箱沿保温箱导轨移动；保温箱的后挡板固定在吸盘式装夹夹具的一侧，当保温箱沿保温箱导轨移动时，焊接后的工件逐渐进入保温箱内，此时安装在前后挡板和包围工件的侧壁及顶端上的发热丝及温度传感器开始工作，将温度加入保温的临界温度，随后保温，随着焊接的继续前进，保温箱侧壁和顶端上的其它发热丝和温度传感器相继工作，最终保证焊接工件全部进入保温箱并保温一定时间，随后随炉冷却，这样即可控制焊接工件焊后不会因急剧冷却而产生很大的表面残余应力和变形。另外在保温过程中，由于焊接材料为金属，保温的热量会传递到未焊接的部位，起到预热作用，从而减小了轴肩的摩擦热，轴肩压力减小，焊缝的减薄程度降低。焊接质量得到很大提高。

本发明的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法可实现焊接过程的全程数控控制，只需设计好相应的参数(如焊接速度，焊接结束时间，满足装夹力要求的电流、电压，保温的临界温度，保温时间等)，按压启动按钮，系统就会自动完成整个过程，有利于提高焊接的智能化水平。同时本发明的保温密封性能好，能避免因人为原因造成的焊接质量下降。

本发明装置简单，操作方便，技术经济效益高，能保证搅拌摩擦焊的焊接质量。

附图说明

图1为本发明的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制装置示意图；

图2为本发明的吸盘式装夹夹具的结构示意图；

图3为本发明的保温箱的结构示意图；

图4为本发明的保温箱与主轴套相连的固定架的结构示意图；

图5为10mm厚的铝合金板常规搅拌摩擦焊接与本发明装置搅拌摩擦焊接的纵向表面残余应力的分布；

图6为10mm厚的铝合金板常规搅拌摩擦焊接与本发明装置搅拌摩擦焊接的纵向残余塑性应变的分布；

图7为20mm厚的铝合金板常规搅拌摩擦焊接与本发明装置搅拌摩擦焊接的纵向表面残余应力的分布；

图8为20mm厚的铝合金板常规搅拌摩擦焊接与本发明装置搅拌摩擦焊接的纵向残余塑性应变的分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1所示。

一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法，首先在被焊接件上罩装一个能随搅拌头同步移动的保温箱，并在固定被焊接件工件的夹具底部安装保温层作为保温箱的底板，将搅拌摩擦焊接后的焊缝罩装在保温箱中，并根据罩装焊缝的长度调节保温箱中的温度，使之恒定在所需的保温温度值范围之内，并在焊接结束后根据所焊接材料的性能，保温约0.5-2小时后进行随炉冷却以消除焊缝处的表面残余应力，具体的保温时间可通过查阅相关的材料热处理手册加以确定，保温的温度为材料的热处理临界温度。

实施例二。

如图1、2、3、4所示。

一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制装置，它主要由吸盘式装夹夹具25、保温箱26、固定架7和控制系统组成，如图1所示，所述的吸盘式装夹夹具25主要由底座1、石棉隔热层2、平钢板3和电磁压板16组成，如图2所示，底座1的两侧向上延伸形成保温箱导轨4，石棉隔热层2安装在两侧保温箱导轨4之间的底座1的上表面上，平钢板3位于石棉隔热层2上，被焊接件5置于平钢板3上，电磁压板16分别置于两块被焊接件5之上，底座1中镶装有电磁块，电磁块通过导线与电磁控制器14(可直接从市场采购)相连，电磁力的大小可通过常规计算确定。所述的保温箱26主要由前挡板18、后挡板19、罩盖12、加热元件11和温度传感器组成，如图3所示，其中后挡板19通过螺钉固定在吸盘式装置夹具25的底座1上，前挡板18与罩盖12整体相连，罩盖12通过两侧底部所设的与吸盘式装置夹具25中的保温箱导轨4相配的导槽27活动安装在吸盘式装置夹具25的导轨4上，罩盖12通过固定架7与安装有搅拌头6的主轴套8相连，从而使保温箱26在搅拌头6的带动下沿导轨4移动；固定架7的一端通过螺纹孔9和紧定螺丝钉10与主轴套8相连，另一端上设有螺孔24，罩盖12上设有螺孔23，螺孔24和螺孔23通过连接螺钉相连，从而使罩盖12与因非军事区架7相连，如图3。所述的加热元件11和温度传感器均与温度控制器13(可采用现有技术或教科书上相关的控制电路加以实现，也可由本领域的普通电气技术人员自行设计制造)电气连接，所述的温度控制器13和电磁控制器14均与控制用计算机15(CPU应采用奔四以上处理器)相连。组成保温箱26的罩盖12、前挡板18和后挡板19均有三层材料组成，如图3所示，分别为最内层材料22、中间层材料21和最外层材料20，其中最内导层材料22为耐火砖，中间层材料21为石棉，最外层材料20为钢板，所述的加热元件11及温度传感器安装在最内层材料22中。

详述如下：

图1为搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法的装置示意图，根据本发明所述，该系统包括吸盘式装夹夹具、保温箱和控制设备。吸盘式装夹夹具由装夹底座1、石棉隔热层2、平钢板3、保温箱导轨4和电磁性压板16组成；保温箱主要由保温箱罩盖12、前挡板18、后挡板19、加热元件11(可采用发热丝)及温度传感器)、螺纹孔23和固定架7组成；控制设备主要由温度控制器13、电磁控制器14和控制用计算机15(也可采用微电脑)组成。

本发明在焊接过程中，保温箱后挡板19固定在吸盘式夹具一端，前挡板18随着焊接前进方向同步前进，整个保温箱上端部分装在吸盘式夹具的保温箱导轨4上，并沿导轨4移动；焊接后的板材进入保温箱体内保温，随着焊接的继续前进，分布在箱体的发热丝及温度传感器相继工作，确保保温箱的温度始终达到需求的某一临界温度，当焊接结束后，保温一定时间，再随炉冷却。

本发明中装置不仅起到降低材料搅拌摩擦焊接表面残余应力，而且还可以提前对焊接前的材料进行预热，以减小搅拌头轴肩的压力，从而减小焊缝的减薄厚度。

本发明具体工作过程为：

吸盘式装夹夹具由三层材料组成，最低层为基材1，采用绝缘材料，在基材里面镶有两块电磁块，其引导线17引导电磁控制器上，并通过电磁控制器14控制其磁场方向和磁场力大小，在基材上表面铺有一层石棉2，目的是保护焊接材料的温度不从底部散失，在石棉上面铺有一层薄钢板3，以保证工件的水平平整性。焊接材料放置薄钢板上，并在焊接材料上方对称压制两块电磁压板16，底座1电磁通电后，即将焊接材料上方的电磁压板16牢牢吸住，以达到装夹固定双重作用。此吸盘式装夹夹具功能既实现了装夹固定作用，又实现了底部保温和工作台作用。

安装在吸盘式装夹夹具保温箱导轨4上的保温箱，其侧壁底部与吸盘式装夹夹具保温箱导轨4相接触，吸盘式装夹夹具构成保温箱的底部，保温箱顶端通过固定架7安装到主轴套8上，并通过固定架7上的螺纹孔9和紧定螺钉10与主轴套8相连。通过螺钉将固定架7上的螺纹孔24和保温箱顶端的螺纹孔23连接，从而保证了固定架7与保温箱顶端的相连。当焊接搅拌头6向前移动时，主轴套8沿焊缝焊接方向移动带动固定架7移动，固定架7带动保温箱沿保温箱导轨4移动；保温箱的后挡板19固定在吸盘式装夹夹具的一侧，当保温箱沿保温箱导轨4移动时，焊接后的工件逐渐进入保温箱内，此时安装在前后挡板18、19和包围工件的侧壁及顶端上的发热丝11及温度传感器开始工作，将温度加入保温的临界温度，随后保温，随着焊接的继续前进，保温箱侧壁和顶端上的其它发热丝11和温度传感器相继工作，最终保证焊接工件全部进入保温箱并保温一定时间，随后随炉冷却，这样即可控制焊接工件焊后不会因急剧冷却而产生很大的表面残余应力和变形。另外在保温过程中，由于焊接材料为金属，保温的热量会传递到未焊接的部位，起到预热作用，减小了轴肩的摩擦热，从而降低了轴肩压力，焊缝厚度的减薄量减小。焊接质量得到很大提高。

本发明所述的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制装置可实行焊接过程的全程数控控制，只需设计好相应的参数(如焊接速度，焊接结束时间，满足装夹力要求的电流、电压，保温的临界温度，保温时间等)，按压启动按钮系统会自动完成整个过程的，充分实现了智能化焊接，保温密封性能好，避免因人为原因造成的焊接质量下降。

以下是利用本发明的方法和装置所进行的二个具体的焊接实例，对于本领域的技术人员而言，可参照上述的发明内容和以下的实例进行各种各样的材料的焊接并根据具体的材料进行参数的选择。

实施例1

选用厚度为10mm的铝合金板材，分别用常规的搅拌摩擦焊焊接和采用本发明所设计的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法的装置进行搅拌摩擦焊焊接，两种方法的规范相同，均为搅拌头主轴转速为400rpm，焊接速度为100mm/min。应用本发明装置时，保温的温度为450℃，保温时间为1小时(具体实施时，根据焊接材料的不同，保温时间一般从0.5-2小时不等，可查阅相关材料热处理手册加以确定，下同)，然后随炉冷却。焊后测定分析了板内表面残余应力和残余塑性应变的分布情况，从图5、6可以看出，常规焊接时，焊缝区表面残余应力很大，同时残余塑性变形也很大；采用本发明装置，焊缝区表面残余应力得到明显降低，为常规焊法的约50％，残余塑性变形也较小，为常规焊法的约10％。

实施例2

选用厚度为20mm的铝合金板材，分别用常规的搅拌摩擦焊焊接和采用本发明所设计的搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法的装置进行搅拌摩擦焊焊接，两种方法的规范相同，均为搅拌头主轴转速为1000rpm，焊接速度为50mm/min。应用本发明装置时，保温的温度为480℃，保温时间为1小时，然后随炉冷却。焊后测定分析了板内表面残余应力和残余塑性应变的分布情况，从图7、8可以看出，常规焊接时，焊缝区表面残余应力很大，同时残余塑性变形也很大；采用本发明装置，焊缝区表面残余应力得到明显降低，为常规焊法的约30％，残余塑性变形也较小，为常规焊法的约4％。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制方法，其特征是在被焊接件上罩装一个能随搅拌头同步移动的保温箱，并在固定被焊接件工件的夹具底部安装保温层，利用夹具底板作为保温箱的底板，将搅拌摩擦焊接后的焊缝罩装在保温箱中，并根据罩装焊缝的长度调节保温箱中的温度，使之恒定在所需的保温温度值范围之内，并在焊接结束后根据所焊接材料的性能，保温约0.5-2小时以消除焊缝处的表面残余应力；所述的夹具主要由底座(1)、石棉隔热层(2)、平钢板(3)和电磁压板(16)组成，底座(1)的两侧向上延伸形成保温箱导轨(4)，石棉隔热层(2)安装在两侧保温箱导轨(4)之间的底座(1)的上表面上，平钢板(3)位于石棉隔热层(2)上，被焊接件(5)置于平钢板(3)上，电磁压板(16)分别置于两块被焊接件(5)之上，底座(1)中镶装有电磁块，电磁块通过导线与电磁控制器(14)相连；所述的保温箱(26)主要由前挡板(18)、后挡板(19)、罩盖(12)、加热元件(11)和温度传感器组成，其中后挡板(19)通过螺钉固定在吸盘式装夹夹具(25)的底座(1)上，前挡板(18)与罩盖(12)整体相连，罩盖(12)通过两侧底部所设的与吸盘式装夹夹具(25)中的保温箱导轨(4)相配的导槽(27)活动安装在吸盘式装夹夹具(25)的导轨(4)上，罩盖(12)通过固定架(7)与安装有搅拌头(6)的主轴套(8)相连，从而使保温箱(26)在搅拌头(6)的带动下沿导轨(4)移动。

2.一种搅拌摩擦焊接表面残余应力控制装置，其特征是它主要由吸盘式装夹夹具(25)、保温箱(26)和固定架(7)组成，所述的吸盘式装夹夹具(25)主要由底座(1)、石棉隔热层(2)、平钢板(3)和电磁压板(16)组成，底座(1)的两侧向上延伸形成保温箱导轨(4)，石棉隔热层(2)安装在两侧保温箱导轨(4)之间的底座(1)的上表面上，平钢板(3)位于石棉隔热层(2)上，被焊接件(5)置于平钢板(3)上，电磁压板(16)分别置于两块被焊接件(5)之上，底座(1)中镶装有电磁块，电磁块通过导线与电磁控制器(14)相连；所述的保温箱(26)主要由前挡板(18)、后挡板(19)、罩盖(12)、加热元件(11)和温度传感器组成，其中后挡板(19)通过螺钉固定在吸盘式装夹夹具(25)的底座(1)上，前挡板(18)与罩盖(12)整体相连，罩盖(12)通过两侧底部所设的与吸盘式装夹夹具(25)中的保温箱导轨(4)相配的导槽(27)活动安装在吸盘式装夹夹具(25)的导轨(4)上，罩盖(12)通过固定架(7)与安装有搅拌头(6)的主轴套(8)相连，从而使保温箱(26)在搅拌头(6)的带动下沿导轨(4)移动；所述的加热元件(11)和温度传感器均与温度控制器(13)电气连接；所述的温度控制器(13)和电磁控制器(14)均与控制用计算机(15)相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述的罩盖(12)、前挡板(18)和后挡板(19)均有三层材料组成，分别为最内层材料(22)、中间层材料(21)和最外层材料(20)，其中最内导层材料(22)为耐火砖，中间层材料(21)为石棉，最外层材料(20)为钢板，所述的加热元件(11)及温度传感器安装在最内层材料(22)中。

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