一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法

1.本发明属于焊接技术领域，更具体地说，是涉及一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称fsw)是由英国焊接研究所于1991年发明的一种高效固相焊接技术，在焊接过程中，焊机驱动焊具高速旋转扎入待焊材料内部，并沿预定轨迹前进，在该过程中焊具与待焊材料发生摩擦剪切产生大量热量，使得待焊材料达到热塑性状态并在焊具的剪切带动下发生流动，并在轴肩的顶锻作用下形成连续、致密的焊缝。
3.作为一种固相焊接方法，搅拌摩擦焊可以有效避免在铝合金、镁合金等材料的熔化焊中易出现的气孔、夹杂、热裂纹等缺陷，因此在航空航天、兵器、交通等领域得到了广泛应用。然而，常规搅拌摩擦焊接镁合金、α型钛合金等密排六方结构的金属材料的过程中，由于热塑性金属的流动行为较为简单规律，导致在搅拌区容易出现强织构现象，其中晶粒基面环绕搅拌针侧表面分布，这种晶粒取向导致拉伸过程中接头各区变形不协调，部分区域的金属提前屈服而导致应变集中，进而损害接头拉伸性能；其次，在常规搅拌摩擦焊中，由于轴肩下压量的存在，会使得部分热塑性金属在焊接过程中外溢流失，使得焊缝产生一定量的减薄，尤其是针对薄板的焊接，焊接部位厚度的减小会使得接头的承载能力受到严重损害，具有一定的局限性。
4.专利cn203003336公开了一种搅拌针与轴肩差速旋转的回抽式搅拌摩擦焊主轴头，其通过控制轴肩和搅拌针的差速旋转解决了现有技术中焊缝过热而影响焊接质量的技术问题，但应用于镁合金、α型钛合金等密排六方结构的金属材料的焊接中时，由于轴肩和搅拌针为相同方向旋转，因此并不会导致焊接过程中热塑性材料的流动行为产生根本的改变，晶粒取向的集中分布以及强织构现象也并不会得到明显改善，接头力学性能仍然较低。
5.专利cn111618420a公开了一种弱化镁合金搅拌摩擦焊接头织构的方法和设备，其采用静轴肩搅拌摩擦焊具改善接头组织对称性，配合脉冲电流促进接头组织的动态再结晶过程，使得晶粒取向随机化，进而弱化接头织构强度，但是该方法并未从根本上改变焊接过程中的金属流动行为，因此对织构强度的弱化效果有限，且工艺复杂、设备成本较高。
6.专利cn101890572b公开了一种搅拌针与轴肩逆向旋转的搅拌摩擦焊接方法，其通过对被焊材料施加相反的驱动力，改善接头组织和性能的不对称性，提高接头的力学性能。但是该方法中由于搅拌针的存在，焊缝底部的材料流动主要还是受搅拌针旋转的影响，轴肩的反向旋转并不能有效改变焊缝底部的材料流动行为，因此对焊缝底部的织构强度改善效果有限，且该方法会对焊缝厚度造成减薄效果，进而影响接头的承载性能。


技术实现要素：

7.本发明就是为了解决上述背景技术的不足，提供了一种分体式搅拌摩擦焊具及弱
化接头织构的焊接方法。本发明中的分体式搅拌摩擦焊具设有相对独立运动的内搅拌头和外搅拌头，两者在不同主轴的驱动下实现反向差速旋转，并配合各自下端面的凹槽结构，一方面使得热塑性金属应变形式复杂化；另一方面提高热塑性金属的应变速率，促进非基面滑移系的激活，进而弱化接头织构。同时外搅拌头内凹下端面边缘与金属板材表面和内搅拌头侧壁形成封闭空腔能够临时储存外溢的热塑性金属，焊接过程中，储存在封闭空间内的热塑性金属在外搅拌头的顶锻作用下重新回填至内搅拌头后方的减薄区域，避免了热塑性金属的外溢流失，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向随机化、织构强度低、力学性能优异的搅拌摩擦接头。
8.为此，本发明提供了一种分体式搅拌摩擦焊具，其设有外搅拌头和内搅拌头，外搅拌头中心设有搅拌腔，内搅拌头设置在搅拌腔内，外搅拌头和内搅拌头能够相对独立运动，内搅拌头下端面设有同心环形槽，外搅拌头设有内凹下端面，内凹下端面设有涡状槽。
9.优选的，内搅拌头下端面相较于外搅拌头内凹下端面凸出0.3-0.5mm。
10.优选的，同心环形槽的深度为0.2-0.5mm，同心环形槽的宽度为0.6-1.0mm。
11.优选的，内凹下端面的内凹角度为5-15
°
，涡状槽的深度为0.2-0.5mm，涡状槽的宽度为0.6-1.0mm。
12.同时，本发明提供了一种弱化接头织构的焊接方法，其利用上述分体式搅拌摩擦焊具，具体的方法步骤如下：
13.将分体式搅拌摩擦焊具的内搅拌头和外搅拌头分别连接搅拌摩擦焊机的两个主轴，带动分体式搅拌摩擦焊具旋转压入金属板材内，焊缝金属达到热塑性状态，所述内搅拌头与所述外搅拌头在两个主轴的带动下反向差速旋转，热塑性金属分别沿着内搅拌头的同心环形槽和外搅拌头的涡状槽反向差速流动，受内搅拌头挤压的热塑性金属外溢进入外搅拌头的内凹下端面与金属板材表面、内搅拌头侧壁形成封闭空腔内，焊接过程中储存在封闭空腔内的热塑性金属重新回填至内搅拌头后方的减薄区域内，直至焊接结束。
14.优选的，内搅拌头旋转速度为400-800rpm，外搅拌头旋转速度为200-600rpm，内搅拌头与外搅拌头旋转方向相反，旋转速度相差100-400rpm。
15.优选的，所述内搅拌头下端面压入金属板材内部0.3-0.5mm，外搅拌头的内凹下端面外缘与金属板材表面接触。
16.优选的，焊接前，需要对金属板材进行机械打磨和利用化学试剂进行表面处理。
17.优选的，所述化学试剂为无水乙醇或丙酮溶液。
18.本发明的有益效果为：
19.(1)本发明的分体式搅拌摩擦焊具中，其设有相互独立转动的内搅拌头与外搅拌头，内搅拌头下端面设有同心环形槽，促使金属材料沿着同心环形槽的方向流动，减少金属材料的外溢量；外搅拌头的内凹下端面设有涡状槽，促使金属材料沿着涡状槽方向流动，防止外搅拌头下方的金属材料外溢而形成飞边、造成减薄。内搅拌头和外搅拌头上述结构设计配合两者的反向差速旋转，不仅可以使得热塑性金属应变形式复杂化，还可以提高热塑性金属的应变速率以促进非基面滑移系的激活，进而弱化接头的织构，提升接头综合力学性能。另外，内搅拌头下端面相较于外搅拌头内凹下端面的凸出距离，使得分体式搅拌摩擦焊具可适应不同厚度的金属板材的焊接，更换灵活，自适应性强，可实施度高。
20.(2)本发明的弱化接头织构的焊接方法中，内搅拌头压入金属板材内部，热塑性金
属受内搅拌头的挤压而外溢，外搅拌头内凹下端面外缘刚好贴合金属板材表面，内凹下端面与金属板材表面和内搅拌头侧壁形成封闭空腔可以临时储存外溢的热塑性金属，焊接过程中储存在封闭空腔内的热塑性金属在外搅拌头顶锻作用下重新回填至内搅拌头后方的减薄区域，避免了热塑性金属的外溢流失，得到了无减薄焊缝，提高了接头的力学性能。本发明进一步简化工艺流程、提升效率并节省成本，大大提高搅拌摩擦焊技术应用的广度和深度，适用于大规模工业生产。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明中分体式搅拌摩擦焊具结构示意图；
23.图2是图1中内搅拌头结构示意图；
24.图3是图1中外搅拌头结构示意图；
25.图4是本发明中利用分体式搅拌摩擦焊具进行搅拌摩擦焊接过程示意图；
26.图中符号说明：
27.1.金属板材；2.外搅拌头；21.涡状槽；22.内凹下端面；23.螺钉孔；3.内搅拌头；31.同心环形槽；32.外螺纹；4螺钉。
具体实施方式
28.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
29.实施例1
30.一种分体式搅拌摩擦焊具，所采用材料为工具钢、硬质合金等，其硬度不低于金属板材1。如图1所示，其设有外搅拌头2和内搅拌头3，外搅拌头2中心设有搅拌腔，内搅拌头3设置在搅拌腔内，且外搅拌头2和内搅拌头3能够相对独立运动。内搅拌头3下端面设有同心环形槽31，促使金属材料沿着同心环形槽31的方向流动，减少金属材料的外溢量；外搅拌头2设有内凹下端面22，内凹下端面22设有涡状槽21，促使金属材料沿着涡状槽21方向流动，防止外搅拌头2下方的金属材料外溢而形成飞边、造成减薄。内搅拌头3和外搅拌头2上述结构设计配合两者的反向差速旋转，不仅可以使得热塑性金属应变形式复杂化，还可以提高热塑性金属的应变速率以促进非基面滑移系的激活，进而弱化接头的织构，提升接头综合力学性能。
31.具体地，如图1-2所示，内搅拌头2下端面相较于外搅拌头3下端面凸出0.3-0.5mm，使得分体式搅拌摩擦焊具可适应不同厚度的金属板材1的焊接，更换灵活，自适应性强，可实施度高。内搅拌头3下端面的同心环形槽31沿内搅拌头3中心轴线呈同心圆状分布，其深度0.2-0.5mm，宽度为0.6-1.0mm；内搅拌头3顶端设有外螺纹32，用于与主轴配合连接。
32.如图1和图3所示，外搅拌头2设有内凹下端面22，内凹角度为5-15
°
，内凹下端面22
的涡状槽21沿外搅拌头2中心轴线呈圆周阵列分布，其深度为0.2-0.5mm，宽度为0.6-1.0mm；外搅拌头2周身均匀分布多个螺钉孔23，利用螺钉4与主轴配合连接。
33.实施例2一种弱化接头织构的焊接方法，具体的方法步骤如下：
34.本实施例中，内搅拌头2下端面相较于外搅拌头3内凹下端面22凸出0.4mm。内搅拌头3下端面的同心环形槽31深度为0.4mm，宽度为0.8mm；外搅拌头2内凹下端面22的内凹角度为10
°
，内凹下端面22深度为0.4mm，宽度为0.8mm。
35.如图4所示，图4中箭头方向为焊接方向。
36.(1)准备板厚为1.0-3.0mm的金属板材1，利用砂纸和角磨机机械打磨金属板材1表面以清理氧化膜，再使用化学试剂对金属板材1表面进行擦拭，去除表面油污、防止再次氧化。其中，使用的化学试剂为无水乙醇或丙酮溶液。金属板材1为镁合金、α型钛合金等密排六方结构的金属板材1。
37.(2)使用合适的工装夹具将金属板材1固定于焊机水平工作台上，将分体式搅拌摩擦焊具的内搅拌头2和外搅拌头3分别与搅拌摩擦焊机的两个主轴连接，校准分体式搅拌摩擦焊具的空间位置，使其位于金属板材1起焊部位正上方，预设分体式搅拌摩擦焊具的移动轨迹。
38.(3)启动搅拌摩擦焊机，带动分体式搅拌摩擦焊具从金属板材1的起焊部位正上方旋转压入金属板材1内，使得焊缝金属达到热塑性状态，所述分体式搅拌摩擦焊具的内搅拌头3与外搅拌头2反向差速旋转，驱动其下方的热塑性金属分别沿着内搅拌头3的同心环形槽31和外搅拌头2的涡状槽21反向差速流动，进而增加焊接过程中金属材料流动的复杂性。具体地，内搅拌头3旋转速度为600rpm，外搅拌头2旋转速度为200rpm，内搅拌头3与外搅拌头2旋转方向相反，旋转速度相差400rpm。
39.设置分体式搅拌摩擦焊具以50-200mm/min移动速度沿预设轨迹移动至焊接结束位置。在焊接过程中，内搅拌头3压入金属板材1内部0.4mm，热塑性金属受到内搅拌头3的挤压而外溢，外搅拌头2的内凹下端面22外缘刚好贴合金属板材1表面，与金属板材1表面和内搅拌头3侧壁形成封闭空腔以临时储存外溢的热塑性金属。分体式搅拌摩擦焊具沿焊接方向移动过程中，储存在封闭空腔内的热塑性金属在外搅拌头2内凹下端面22的顶锻作用下重新回填至内搅拌头3后方的减薄区域，避免了热塑性金属的外溢流失，得到了无减薄焊缝，并置于空气中冷却至室温，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向随机化、织构强度低、力学性能优异的搅拌摩擦焊接头。
40.实施例3一种弱化接头织构的焊接方法，具体的方法步骤如下：
41.与实施例2不同的是，本实施例中，内搅拌头2下端面相较于外搅拌头3内凹下端面22凸出0.3mm。内搅拌头3下端面的同心环形槽31深度为0.2mm，宽度为0.6mm；外搅拌头2内凹下端面22的内凹角度为5
°
，内凹下端面22深度为0.2mm，宽度为0.6mm。
42.内搅拌头2旋转速度为400rpm，外搅拌头3旋转速度为300rpm，内搅拌头2与外搅拌头3旋转方向相反，旋转速度相差100rpm。
43.另外，内搅拌头2下端面压入金属板材1内部0.5mm。焊接结束，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向随机化、织构强度低、力学性能优异的搅拌摩擦焊接头。
44.实施例4一种弱化接头织构的焊接方法，具体的方法步骤如下：
45.与实施例2不同的是，本实施例中，内搅拌头2下端面相较于外搅拌头3内凹下端面
22凸出0.5mm。内搅拌头3下端面的同心环形槽31的深度为0.5mm，宽度为1.0mm；外搅拌头2内凹下端面22的内凹角度为15
°
，内凹下端面22深度为0.5mm，宽度为1.0mm。
46.内搅拌头3旋转速度为800rpm，外搅拌头2旋转速度为600rpm，内搅拌头3与外搅拌头2旋转方向相反，旋转速度相差200rpm。另外，内搅拌头3下端面压入金属板材1内部0.3mm。焊接结束，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向随机化、织构强度低、力学性能优异的搅拌摩擦焊接头。
47.综上所述，首先，本发明的分体式搅拌摩擦焊具中，其设有相互独立转动的内搅拌头3与外搅拌头2，内搅拌头3下端面设有同心环形槽31，促使金属材料沿着同心环形槽31的方向流动，减少金属材料的外溢量；外搅拌头2的内凹下端面22设有涡状槽21，促使金属材料沿着涡状槽21方向流动，防止外搅拌头2下方的金属材料外溢而形成飞边、造成减薄。内搅拌头3和外搅拌头2的上述结构设计配合两者的反向差速旋转，不仅可以使得热塑性金属应变形式复杂化，还可以提高热塑性金属的应变速率以促进非基面滑移系的激活，进而弱化接头的织构，提升接头综合力学性能。另外，内搅拌头3的下端面相较于外搅拌头2的内凹下端面22凸出距离，使得分体式搅拌摩擦焊具可适应不同厚度的金属板材1的焊接，更换灵活，自适应性强，可实施度高。
48.其次，本发明的弱化接头织构的焊接方法中，内搅拌头3压入金属板材1内部，热塑性金属受内搅拌头3的挤压而外溢，外搅拌头2的内凹下端面22外缘刚好贴合金属板材1表面，内凹下端面22与金属板材表面1和内搅拌头3侧壁形成封闭空腔可以临时储存外溢的热塑性金属，焊接过程中储存在空腔内的热塑性金属在外搅拌头2的顶锻作用下重新回填至内搅拌头3后方的减薄区域，避免了热塑性金属的外溢流失，得到了无减薄焊缝，最终获得与母材厚度相同、晶粒取向相对随机化、力学性能优异的搅拌摩擦焊接头。本发明进一步简化工艺流程、提升效率并节省成本，大大提高搅拌摩擦焊技术应用的广度和深度，适用于大规模工业生产。
49.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分体式搅拌摩擦焊具，其设有外搅拌头和内搅拌头，其特征是，所述外搅拌头中心设有搅拌腔，所述内搅拌头设置在所述搅拌腔内，所述外搅拌头和内搅拌头能够相对独立运动，所述内搅拌头下端面设有同心环形槽，所述外搅拌头设有内凹下端面，所述内凹下端面设有涡状槽。2.根据权利要求1所述的分体式搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述内搅拌头下端面相较于所述外搅拌头内凹下端面凸出0.3-0.5mm。3.根据权利要求1所述的分体式搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述同心环形槽的深度为0.2-0.5mm，所述同心环形槽的宽度为0.6-1.0mm。4.根据权利要求1所述的分体式搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述内凹下端面的内凹角度为5-15
°
，所述涡状槽的深度为0.2-0.5mm，所述涡状槽的宽度为0.6-1.0mm。5.一种弱化接头织构的焊接方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一所述的分体式搅拌摩擦焊具，步骤如下：将分体式搅拌摩擦焊具的内搅拌头和外搅拌头分别连接搅拌摩擦焊机的两个主轴，带动分体式搅拌摩擦焊具旋转压入金属板材内，焊缝金属达到热塑性状态，所述内搅拌头与所述外搅拌头在两个主轴的带动下反向差速旋转，热塑性金属分别沿着内搅拌头的同心环形槽和外搅拌头的涡状槽反向差速流动，受内搅拌头挤压的热塑性金属外溢进入外搅拌头的内凹下端面与金属板材表面、内搅拌头侧壁形成封闭空腔内，焊接过程中储存在封闭空腔内的热塑性金属重新回填至内搅拌头后方的减薄区域内，直至焊接结束。6.根据权利要求5所述的弱化接头织构的焊接方法，其特征在于，所述内搅拌头旋转速度为400-800rpm，所述外搅拌头旋转速度为200-600rpm，内搅拌头与外搅拌头旋转方向相反，旋转速度相差100-400rpm。7.根据权利要求5所述的弱化接头织构的焊接方法，其特征在于，所述内搅拌头下端面压入金属板材内部0.3-0.5mm，外搅拌头的内凹下端面外缘与金属板材表面接触。8.根据权利要求5所述的弱化接头织构的焊接方法，其特征在于，焊接前，需要对金属板材进行机械打磨和利用化学试剂进行表面处理。9.根据权利要求8所述的弱化接头织构的焊接方法，其特征在于，所述化学试剂为无水乙醇或丙酮溶液。

技术总结
本发明提供了一种分体式搅拌摩擦焊具及弱化接头织构的焊接方法，其解决了传统搅拌摩擦焊接金属材料时，由于接头晶粒取向集中分布，织构强度高，导致拉伸过程中接头各区变形不协调，损害接头拉伸性能的技术问题。本发明中提供了一种分体式搅拌摩擦焊具，其设有外搅拌头和内搅拌头，外搅拌头中心设有搅拌腔，内搅拌头设置在搅拌腔内，外搅拌头和内搅拌头能够相对独立运动，内搅拌头下端面设有同心环形槽，外搅拌头设有内凹下端面，内凹下端面设有涡状槽。同时，本发明提供一种利用分体式搅拌摩擦焊具弱化接头织构的焊接方法。本发明可广泛应用于搅拌摩擦焊技术领域。泛应用于搅拌摩擦焊技术领域。泛应用于搅拌摩擦焊技术领域。


技术研发人员：周利 高士康 李高辉 孙广达 李宇轩
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25