CN112404693A - 一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，垫板固定于焊接工作台，垫板表面中心开设有第一凹槽，垫板上两侧均设有MCH引线线槽；各个加热块组件均设置于第一凹槽中，加热块组件从上向下依次设有铜合金块、第二隔热垫、金属陶瓷加热片MCH和底座，金属陶瓷加热片MCH通过高温平端波形弹簧夹持固定，高温平端波形弹簧定位固定于底座，金属陶瓷加热片MCH与铜合金块之间涂覆有高温导热脂，底座与铜合金块相连接。本发明通过在垫板上设置若干加热块组件，并配合金属陶瓷加热片MCH及对应加热电路，在不对FSW焊机进行大幅改造的情况下，实现底部、局部预热辅助FSW试验。
Description
技术领域
本发明属于金属焊接技术，具体涉及一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一种材料固相连接技术，对于FSW工艺，焊接温度场直接关系到材料的流动和焊缝组织，因此，其焊接过程中的温度场控制尤为重要。一般来说，搅拌摩擦焊的温度场是“三维不对称”的。即焊缝表面温度高，底部温度低；前进侧温度高，后退侧温度低；焊接起始段温度低，结束段温度高。因此可对底部、后退侧及起始段加热来均衡温度场，进而改善流场，促进焊缝成型。
焊接的过程中，加热是实现对温度场的主动控制的方法之一。现有的搅拌摩擦焊辅热装置结构与原理各异，就热源而言，有感应加热、电阻传热、电流辅助、火焰加热等方案，但大多数方案难以对焊件底部或局部进行加热，或者能量密度过高，不宜加热轻合金且设备笨重，灵活性较低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置,本发明适用于3～6mm厚度的镁、铝合金板的加工，能够在不对FSW焊机进行大幅改造的情况下，通过灵活配置加热装置再配合MCH加热控制电路实现底部和局部预热辅助FSW试验。
技术方案：本发明的一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，包括垫板和若干加热块组件；垫板固定于焊接工作台，垫板表面中心开设有第一凹槽，垫板上两侧均设有MCH引线线槽(即位于第一凹槽的两侧)；各个加热块组件均设置于第一凹槽中，加热块组件从上向下依次设有铜合金块、第二隔热垫、金属陶瓷加热片MCH和底座，金属陶瓷加热片MCH通过高温平端波形弹簧夹持固定，高温平端波形弹簧定位固定于底座，金属陶瓷加热片MCH与铜合金块之间涂覆高温导热脂形成导热层，底座放置于第一凹槽内装配完成后与铜合金块上下相连接，实际焊接时受到上方压力后底座即可与第一凹槽固定无需施加多余约束。
各加热块组件的外周设置有钢制垫块，例如可以在加热块组件外侧或者相邻两个加热块组件之间均设置有钢制垫块，通过设置钢制垫块整个装置上无需加热的位置起到原本垫板的支撑作用；加热块组件的外周铺设有第一隔热垫。
其中，所述钢质垫块用于焊缝无需加热处，能够在焊接时支撑垫板，并且钢制垫块能够多个联用各个加热块，加热块的尺寸及钢质垫块的尺寸按需设计即可。
实际加工过程中，将加热块组件和钢制垫块置于垫板中心的第一凹槽(即焊缝处)，并在垫板和加热块组件周围布置隔热材料(例如第一隔热垫、第二隔热垫等)，然后将能够加热的垫板固定好待焊试板，接通金属陶瓷加热片MCH加热至一定温度后，完成焊接。
为适应不同加工使用情况，第一凹槽与底座之间设有对应的高度调节块，第一凹槽的两侧设有若干限位柱。第一凹槽槽内开设有螺纹孔，螺纹孔与底座之间设置蝶形螺丝，通过调整蝶形螺丝的松紧进而调整底座的高度；第一凹槽的两侧设有螺纹孔，该螺纹孔中旋入限位螺栓，通过限位螺栓将加热块组件限位于第一凹槽中。
为增强加热块组件的强度，底座采用不锈钢制成，底座表面中间开设柱状凹槽用于固定高温平端波形弹簧，底座上设有MCH引线线槽。
进一步的，铜合金块与底座之间通过若干螺钉连接，进而将整个加热块组件结构固定。
进一步的，铜合金块一体化成型呈长方体，其整体设置于第二隔热垫上方。
进一步的，铜合金块呈长方体且底部设有凸起，铜合金块与钢制侧块并排设置于第二隔热垫上方，且铜合金块的表面积大于钢制侧块的表面积，铜合金块与钢制侧块之间设有第三隔热垫；铜合金块、钢制侧块均通过螺钉依次与金属陶瓷加热片MCH、第二隔热垫和底座相连。
进一步的，铜合金块呈长方体且底部设有凸起，铜合金块的两侧均设有钢制侧块，铜合金块与钢制侧块并排设置于第二隔热垫上方，铜合金块、钢制侧块均通过螺钉依次与金属陶瓷加热片MCH、第二隔热垫和底座相连。
进一步的，金属陶瓷加热片MCH的引线从对应线槽引出后与控制电路相连。
进一步的，金属陶瓷加热片MCH与第二隔热垫之间设有细丝热电偶，细丝热电偶连接于PID温控器，通过PID温控器控制金属陶瓷加热片MCH的温度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过在垫板上设置若干加热块组件，并配合金属陶瓷加热片MCH及对应加热电路，在不对FSW焊机进行大幅改造的情况下，实现底部、局部预热辅助FSW试验；
(2)本发明结构精巧、体积小巧，可使用不同结构设计的铜合金块，调整加热块组件的位置及且表面发热位置，灵活配置加热块组件，使用十分方便，适应性广泛；
(3)本发明中的加热块组件整体结构上具有较高强度，加上其周围布置有隔热材料，整体装置的热损失较少，有效优化轻合金薄板搅拌摩擦焊接时三维方向上的温度场，在低热输入工艺下仍可保证焊缝有效成型。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中钢制垫块与垫板的安装示意图；
图3为实施例中加热块组件的示意图；
图4为实施例中垫板的结构示意图；
图5为实施例中FSW焊接试板的一装配示意图；
图6为实施例中FSW焊接试板的一装配示意图；
图7为本发明中底座的结构示意图；
图8为实施例中第二隔热垫示意图；
图9为实施例中铜合金块的一结构示意图；
图10为实施例中铜合金块的一结构示意图；
图11为本发明一实施例具体场景示意图；
图12为实施例的效果对比示意图；
其中，图12(a)为某常规工艺下FSW焊缝截面宏观形貌图，图12(b)为本发明FSW焊缝截面宏观形貌图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，包括垫板3和若干加热块组件；垫板3固定于焊接工作台，垫板3表面中心开设有第一凹槽31，垫板3两端均设有MCH5引线线槽。如图3所示，各个加热块组件均设置于第一凹槽31中，加热块组件从上向下依次设有铜合金块4、第二隔热垫6、金属陶瓷加热片MCH5和底座8，铜合金块4与底座8之间通过若干螺钉1连接，进而将整个加热块组件结构固定。金属陶瓷加热片MCH5通过高温平端波形弹簧7夹持固定，高温平端波形弹簧7定位固定于底座8，金属陶瓷加热片MCH5与铜合金块4之间涂覆有高温导热脂形成导热层，底座8与铜合金块4相连接；各加热块组件外侧且每相邻两个加热块组件之间均设置有钢制垫块，加热块组件的外周铺设有第一隔热垫2，焊接过程中，第一隔热垫2位于待焊接板材16与垫板3之间。
上述加热块组件用于加热待焊接的板材16，垫板3承载多个加热块组件和FSW焊接过程中的作用力。其中金属陶瓷加热片MCH5通电后产生热量并传递给铜合金块4，铜合金块4承载焊接轴向力和传递MCH5的热量；且金属陶瓷加热片(MCH5)由高温平端波形弹簧7装夹于底座8和铜合金块4之间；高强度的不锈钢底座8则可以承载焊接过程中的轴向力。
本发明中的垫板3用于FSW的工作台，利用垫板3及加热块组件实现对待焊板材16的底部预热，且可灵活设置，达到了试验所需。本发明的中的各个加热块组件，可联合使用也可以单独分开使用控制，安装拆卸灵活，可直接预热焊缝处，并完成焊接。
为适应不同加工使用情况，如图4所示，垫板3上第一凹槽31与底座8之间设有对应的高度调节块(例如：第一凹槽31槽内开设有螺纹孔，螺纹孔与底座8之间设置蝶形螺丝9，通过调整蝶形螺丝9的松紧进而调整底座8的高度)，第一凹槽31的两侧设有若干限位柱32，例如第一凹槽31的两侧设有螺纹孔，该螺纹孔中旋入限位螺栓，通过限位螺栓将加热块组件限位于第一凹槽31中。
为增强加热块组件的强度，底座8采用不锈钢制成，如图7所示，底座8表面中间开设柱状凹槽用于固定高温平端波形弹簧7，底座8上设有MCH5引线线槽。
本实施例中，加热块组件中最上面的铜合金块4可结构按需设计，例如：
铜合金块4一体化成型呈长方体，其整体设置于第二隔热垫6上方，第二隔热垫6如图8所示。
如图10所示，为实现约束加热块组件表面相对高温区域，铜合金块4呈长方体且底部设有凸起，铜合金块4与钢制侧块11并排设置于第二隔热垫6上方，且铜合金块4的表面积大于钢制侧块11的表面积，铜合金块4与钢制侧块11之间设有第三隔热垫14；铜合金块4、钢制侧块11均通过螺钉1依次与金属陶瓷加热片MCH5、第二隔热垫6和底座8相连。
如图9所示，铜合金块4呈长方体且底部设有凸起，铜合金块4的两侧均设有钢制侧块11，铜合金块4与钢制侧块11并排设置于第二隔热垫6上方，铜合金块4、钢制侧块11均通过螺钉1依次与金属陶瓷加热片MCH5、第二隔热垫6和底座8相连，此处铜合金块4的尺寸与钢制侧块11的尺寸相同。
其中，上述铜合金块4上凸起的设置能够防止金属陶瓷加热片MCH5接触到钢制侧块11。
焊接加工时，金属陶瓷加热片MCH5的引线从对应线槽引出后与控制电路相连；金属陶瓷加热片MCH5与第二隔热垫6之间设有细丝热电偶，细丝热电偶连接于PID温控器，通过PID温控器控制金属陶瓷加热片MCH5的温度。
本实施例中的各个隔热垫采用对应隔热材料制成且能承受一定压力，使得在焊接压力下仍然保持隔热水平，即导热系数低于0.15。
本实施例中的控制电路一方面可控制待焊试板的表面温度，一方面监测MCH的温度。
如图2所示，实际加工过程中，将加热块组件和钢制垫块置于垫板3中心的第一凹槽31(即焊缝处)，并在垫板3和加热块组件周围布置隔热材料(例如第一隔热垫2、第二隔热垫6等)，高温平端波形弹簧7的弹力将金属陶瓷加热片MCH5紧贴铜合金块4下表面，然后将能够加热的垫板3固定好待焊试板，接通金属陶瓷加热片MCH5加热至一定温度后，进行焊接工作。
如图11所示，焊接前连接控制电路：将金属陶瓷加热片MCH5的引线通过垫板3两侧的线槽引出并连接其它控制电路。然后选用不同规格和阻值的加热片及使用可调压直流电源等方式，实现多个金属陶瓷加热片MCH5的灵活控制。还可以在金属陶瓷加热片MCH5与第二隔热垫6之间施加一个细丝热电偶配合PID温控器来控制金属陶瓷加热片MCH5的温度，或者在待焊接板材16上设置热电偶进而控制整个系统的加热状态。本实施例中，待焊接板材16如图5和图6所示与本发明装置固定。
完成上述过程后，对于特定位置的加热块组件，可通过旋紧或者松开蝶形螺丝9，来对加热块组件的位置和高度进行微调，使加热块组件的发热表面能紧密贴合焊接试板。最后闭合对应电，使金属陶瓷加热片MCH5加热铜合金块4，进而加热待焊试板至一定温度后，开始焊接。
通过本发明装置辅助加工焊接的板材16，如图12中焊缝截面所示，其焊接缺陷在使用本发明加热后消失，比现有装置和工艺加工的焊缝效果更好，热损失也更小。
Claims (10)
1.一种用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：包括垫板和若干加热块组件；所述垫板固定于焊接工作台，垫板表面中心开设有第一凹槽，垫板上两侧均设有MCH引线线槽；所述各个加热块组件均设置于第一凹槽中，加热块组件从上向下依次设有铜合金块、第二隔热垫、金属陶瓷加热片MCH和底座，所述金属陶瓷加热片MCH通过高温平端波形弹簧夹持固定，高温平端波形弹簧定位固定于底座，所述金属陶瓷加热片MCH与铜合金块之间涂覆高温导热脂，底座放置于第一凹槽内装配完成后与铜合金块上下相连接，实际焊接时受到上方压力后底座即可与第一凹槽固定；各加热块组件的外周设置有钢制垫块，加热块组件的外周铺设有第一隔热垫。
2.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述第一凹槽与底座之间设有对应的高度调节块，第一凹槽的两侧设有若干限位柱。
3.根据权利要求2所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述第一凹槽槽内开设有螺纹孔，螺纹孔与底座之间设置蝶形螺丝，通过调整蝶形螺丝的松紧进而调整底座的高度；第一凹槽的两侧设有螺纹孔，该螺纹孔中旋入限位螺栓，通过限位螺栓将加热块组件限位于第一凹槽中。
4.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述底座采用不锈钢制成，底座表面中间开设柱状凹槽用于固定高温平端波形弹簧，底座上设有MCH引线线槽。
5.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述铜合金块与底座之间通过若干螺钉连接，进而将整个加热块组件结构固定。
6.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述铜合金块一体化成型呈长方体，其整体设置于第二隔热垫上方。
7.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述铜合金块呈长方体且底部设有凸起，铜合金块与钢制侧块并排设置于第二隔热垫上方，且铜合金块的表面积大于钢制侧块的表面积，铜合金块与钢制侧块之间设有第三隔热垫；铜合金块、钢制侧块均通过螺钉依次与金属陶瓷加热片MCH、第二隔热垫和底座相连。
8.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述铜合金块呈长方体且底部设有凸起，铜合金块的两侧均设有钢制侧块，铜合金块与钢制侧块并排设置于第二隔热垫上方，铜合金块、钢制侧块均通过螺钉依次与金属陶瓷加热片MCH、第二隔热垫和底座相连。
9.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述金属陶瓷加热片MCH的引线从对应线槽引出后与控制电路相连。
10.根据权利要求1所述的用于轻合金板的搅拌摩擦焊底部辅热装置，其特征在于：所述金属陶瓷加热片MCH与第二隔热垫之间设有细丝热电偶，细丝热电偶连接于PID温控器，通过PID温控器控制金属陶瓷加热片MCH的温度。
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