CN107877016A - 钢对接的感应加热‑搅拌摩擦复合焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢对接的感应加热‑搅拌摩擦复合焊接方法及装置，用于搅拌摩擦焊的搅拌头的焊接方向，设置有用于对待焊工件感应加热的感应加热装置，所述的感应加热装置通过连接装置固定于搅拌头所在的焊接臂上，使搅拌头和感应加热装置在焊接过程中同步焊接移动。本发明所述的钢对接的感应加热‑搅拌摩擦复合焊接方法及装置，焊接进行中，感应加热装置产生的热量在搅拌头前方的预热区对待焊工件进行充分预热，高速旋转的搅拌头沿待焊工件的对接面压入，实现焊接，采用感应加热作为辅助加热热源，实现钢的可靠连接，既能保证焊接质量，又能延长搅拌头寿命，降低焊接成本，是一种以感应加热作为辅助热源的搅拌摩擦焊接方法。

Description

钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及焊接领域，一种用于钢对接的感应加热辅助软化待焊工件的搅拌摩擦焊方法及装置。

背景技术

目前，搅拌摩擦焊接技术是一种非常理想的固相焊接技术，与传统的焊接方法相比，具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，特别是在薄板焊接中是其它焊接方法远不可相比的，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。

相对于铝合金等低熔点材料而言，钢的搅拌摩擦焊在焊接时需要更多的热量，对搅拌头的高温耐磨性和韧性等提出了更高的要求，现有满足钢搅拌摩擦焊接的搅拌头(聚晶立方氮化硼、钨铼合金等)制造成本高，且焊接过程中由于热输入量不足易造成缺陷的产生。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置，用于解决现有的焊接方法，钢等高熔点材料搅拌摩擦焊接，具有搅拌头寿命低、成本高、质量不稳定等问题。本发明采用的技术手段如下：

一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，用于搅拌摩擦焊的搅拌头的焊接方向，设置有用于对待焊工件感应加热的感应加热装置，所述的感应加热装置通过连接装置固定于搅拌头所在的焊接臂上，使搅拌头和感应加热装置在焊接过程中同步焊接移动。

焊接进行中，感应加热装置产生的热量在搅拌头前方的预热区对待焊工件进行充分预热，高速旋转的搅拌头沿待焊工件的对接面压入。

当搅拌头的轴肩与待焊工件紧密接触后，搅拌头沿对接面向前移动实现焊接，搅拌头的摩擦热与感应加热产生的辅助热共同作用促使焊接区域发生塑化，并最终形成致密的焊缝。

作为优选所述的感应加热装置的底部表面同待焊钢板的上表面平行，并且感应加热装置底面同待焊钢板上表面的间距为α，2mm≤α≤10mm。

作为优选所述感应加热装置和搅拌头之间的距离为β，5mm≤β≤25mm，使待焊钢板的温度在焊接之前为γ，200℃≤γ≤600℃。

作为优选所述搅拌头的转速为300r/min～800r/min，焊接速度为50mm/min～120mm/min，轴肩下压量为0.1mm～0.3mm。

作为优选所述的感应加热装置采用双线圈水冷感应器，电流频率为8kHz。

作为优选所述待焊工件底部铺设有阻热垫，所述阻热垫的阻热材料为隔热温度在1200℃的气凝胶。

作为优选所述步搅拌头为陶瓷基复合材料或高温合金材料；所述待焊工件为普通碳钢或低合金钢材料；待焊钢板的厚度在1mm～10mm之间。

一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接装置，包括设置于焊接臂上的搅拌头和感应加热装置；所述的感应加热装置通过连接装置固定于焊接臂上，所述的感应加热装置设置于搅拌头焊接移动方向的前端，使搅拌头紧贴待焊工件焊接时，感应加热装置同待焊工件上表面具有间隙。

作为优选所述的连接装置包括悬臂、导轨、摆臂和连接段；所述的摆臂包括通过转轴连接的上摆动段和下摆动段；所述悬臂固定于焊接臂上水平设置，摆臂的上摆动段同悬臂上的导轨滑动连接，上摆动段通过转轴连接有连接段，连接段的另一端同感应加热装置连接。

作为优选焊接臂上设置有用于驱动搅拌头转动的电机。

与现有技术相比较，本发明所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置，焊接进行中，感应加热装置产生的热量在搅拌头前方的预热区对待焊工件进行充分预热，高速旋转的搅拌头沿待焊工件的对接面压入，实现焊接，采用感应加热作为辅助加热热源，实现钢的可靠连接，既能保证焊接质量，又能延长搅拌头寿命，降低焊接成本，是一种以感应加热作为辅助热源的搅拌摩擦焊接方法。

本发明所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置，解决了钢等高熔点材料搅拌摩擦焊接成本高及质量不稳定等问题，提出了复合搅拌摩擦焊，即为了满足材料加工的要求，将两种或者两种以上单一焊接方法集于一体，取长补短，从而形成新的、更为先进的焊接方法。

由于搅拌摩擦焊接热能主要来自搅拌头与工件间的摩擦产热及塑性变形产热，在焊接过程中引入辅助热源，明显提高钢的塑性，软化组织，降低抵抗力，降低对搅拌头的材料特性要求，减轻搅拌头焊接过程中的磨损，提高搅拌头使用寿命，控制焊接成本，解决了钢焊接过程搅拌头寿命低、焊接过程不稳定、焊接成本高等问题，扩展搅拌摩擦焊在钢中的应用范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明工作原理示意图。

图2是本发明连接装置示意图。

其中：1、待焊工件，2、感应加热装置，3、搅拌头，4、连接装置，5、阻热垫，6、预热区，7、悬臂，8、导轨，9、摆臂，10、连接段。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，焊接前，将待焊钢板1的对接端面及上下端面焊接区清理干净，焊接区根据试板厚度确定，去除待焊钢板的氧化物；采用有机溶剂擦拭经机械处理过后的待焊钢板1表面，去除金属粉尘和油污等杂物，将待焊钢板1以对接的方式置于工作台上，并用夹具进行刚性固定。

用于搅拌摩擦焊的搅拌头3的焊接方向，设置有用于对待焊工件1感应加热的感应加热装置2，所述的感应加热装置2通过连接装置4固定于搅拌头3所在的焊接臂上，使搅拌头3和感应加热装置2在焊接过程中同步焊接移动。

所述的感应加热装置2的底部表面同待焊钢板1的上表面平行，并且感应加热装置2底面同待焊钢板1上表面的间距为α，2mm≤α≤10mm。

所述的感应加热装置2为感应线圈，即感应线圈的平面与待焊钢板1表面平行，所述的感应加热装置2优选采用双线圈水冷感应器，电流频率为8kHz。所述感应加热装置2和搅拌头3之间的距离为β，5mm≤β≤25mm，使待焊钢板1的温度在焊接之前为γ，200℃≤γ≤600℃。

合理设置感应加热装置2的电流、频率与线圈位置，利用线圈磁场在待焊钢板1中引起的电磁感应对待焊钢板1进行加热，控制待焊钢板的温度在焊接之前维持在200℃～600℃，使待焊钢板1尽可能受热软化。

焊接进行中，感应加热装置2产生的热量在搅拌头3前方的预热区6对待焊工件1进行充分预热，高速旋转的搅拌头3在电机驱动下沿待焊工件1的对接面压入；所述搅拌头3的转速为300r/min～800r/min，焊接速度为50mm/min～120mm/min，轴肩下压量为0.1mm～0.3mm，所述步搅拌头3为陶瓷基复合材料或高温合金材料。

所述待焊工件1为普通碳钢或低合金钢材料；待焊钢板1的厚度在1mm～10mm之间。所述待焊工件1底部铺设有阻热垫5，所述阻热垫5的阻热材料为隔热温度在1200℃的气凝胶。在待焊钢板1的焊接下表面铺设阻热垫5，能够防止在厚度方向产生过大温度梯度；阻热垫5能够降低因待焊钢板1导热导致的钢板厚度方向温度分布不均，阻热材料的厚度对待焊钢板1整体厚度的影响可忽略。

启动搅拌摩擦焊机后，搅拌头3以转速300r/min～800r/min，焊接速度50mm/min～120mm/min，轴肩下压量0.1mm～0.3mm的焊接参数沿焊接方向焊接。

当搅拌头3的轴肩与待焊工件1紧密接触后，搅拌头3沿对接面向前移动实现焊接，搅拌头的摩擦热与感应加热产生的辅助热共同作用促使焊接区域发生塑化，并最终形成致密的焊缝。

优选的，用于焊接钢板的厚度5mm的待焊钢板，需要如下工艺参数：

待焊钢板的温度在焊接之前为γ，300℃≤γ≤350℃；所述搅拌头的转速为300r/min～500r/min，焊接速度为50mm/min～70mm/min，轴肩下压量为0.1mm～0.2mm。

如图1和图2所示，一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接装置，其特征在于包括设置于焊接臂上的搅拌头3和感应加热装置2；焊接臂上设置有用于驱动搅拌头3转动的电机。

所述的感应加热装置2通过连接装置4固定于焊接臂上，使感应加热装置2同搅拌摩擦焊主机连接，所述的感应加热装置2设置于搅拌头3焊接移动方向的前端，使搅拌头3紧贴待焊工件1焊接时，感应加热装置2同待焊工件1上表面具有间隙。

所述的连接装置4包括悬臂7、导轨8、摆臂9和连接段10；所述的摆臂9包括通过转轴连接的上摆动段和下摆动段；所述悬臂7固定于焊接臂上水平设置，摆臂9的上摆动段同悬臂7上的导轨8滑动连接，上摆动段通过转轴连接有连接段10，连接段10的另一端同感应加热装置2连接。

通过导轨8能够实现沿待焊工件1的纵向进行调节，通过摆臂9实现沿待焊工件1轴向调节，通过连接段10实现感应加热装置2线圈的快速连接及冷却水供应。

本发明所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置，目的是在钢的搅拌摩擦焊接过程中引入感应加热产生的辅助热源有效塑化待焊工件，弥补搅拌头摩擦产热不足，从而降低对搅拌头特性的要求，控制搅拌头制造成本，同时容易实现连接，提高焊接效率，保证焊接质量。

本发明所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法及装置，感应加热装置2设置在搅拌头3的前方且位于待焊钢板1的待焊区域，预热使钢板局部软化，减轻搅拌针磨损，感应加热装置2在焊接过程中随着搅拌头3沿着焊接方向同步移动，解决了钢焊接过程搅拌头寿命低、焊接过程不稳定、焊接成本高等问题，扩展搅拌摩擦焊在钢中的应用范围，提供了一种用于钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，它能够实现钢的可靠连接，既能保证焊接质量，又能延长搅拌头寿命，降低焊接成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

用于搅拌摩擦焊的搅拌头的焊接方向，设置有用于对待焊工件感应加热的感应加热装置，所述的感应加热装置通过连接装置固定于搅拌头所在的焊接臂上，使搅拌头和感应加热装置在焊接过程中同步焊接移动；

焊接进行中，感应加热装置产生的热量在搅拌头前方的预热区对待焊工件进行充分预热，高速旋转的搅拌头沿待焊工件的对接面压入；

当搅拌头的轴肩与待焊工件紧密接触后，搅拌头沿对接面向前移动实现焊接，搅拌头的摩擦热与感应加热产生的辅助热共同作用促使焊接区域发生塑化，并最终形成致密的焊缝。

2.根据权利要求1所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述的感应加热装置的底部表面同待焊钢板的上表面平行，并且感应加热装置底面同待焊钢板上表面的间距为α，2mm≤α≤10mm。

3.根据权利要求1所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述感应加热装置和搅拌头之间的距离为β，5mm≤β≤25mm，使待焊钢板的温度在焊接之前为γ，200℃≤γ≤600℃。

4.根据权利要求1所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述搅拌头的转速为300r/min～800r/min，焊接速度为50mm/min～120mm/min，轴肩下压量为0.1mm～0.3mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述的感应加热装置采用双线圈水冷感应器，电流频率为8kHz。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述待焊工件底部铺设有阻热垫，所述阻热垫的阻热材料为隔热温度在1200℃的气凝胶。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接方法，其特征在于：

所述步搅拌头为陶瓷基复合材料或高温合金材料；

所述待焊工件为普通碳钢或低合金钢材料；待焊钢板的厚度在1mm～10mm之间。

8.一种钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接装置，其特征在于包括设置于焊接臂上的搅拌头和感应加热装置；

所述的感应加热装置通过连接装置固定于焊接臂上，所述的感应加热装置设置于搅拌头焊接移动方向的前端，使搅拌头紧贴待焊工件焊接时，感应加热装置同待焊工件上表面具有间隙。

9.根据权利要求8所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接装置，其特征在于：

所述的连接装置包括悬臂、导轨、摆臂和连接段；

所述的摆臂包括通过转轴连接的上摆动段和下摆动段；

所述悬臂固定于焊接臂上水平设置，摆臂的上摆动段同悬臂上的导轨滑动连接，上摆动段通过转轴连接有连接段，连接段的另一端同感应加热装置连接。

10.根据权利要求8或9所述的钢对接的感应加热-搅拌摩擦复合焊接装置，其特征在于：

焊接臂上设置有用于驱动搅拌头转动的电机。