阅读说明：本技术 一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法 (Self-lubricating welding-following friction constraint micro-friction stir welding method ) 是由 封小松 夏佩云 董吉义 赵慧慧 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明的一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法,在薄壁构件搅拌摩擦焊搅拌头外部附加一个随搅拌头一起旋转的低摩擦系数辅助轴肩,该轴肩采用具有一定耐高温能力的自润滑材料,其对被焊材料进行局部拘束和焊后压延,保持焊前及焊后工件平整。同时可对该辅助轴肩对工件实施压力或位移调整与控制,辅助轴肩与搅拌头一起旋转,采用近无倾角的焊接方式,可克服静止轴肩前进阻力过大的问题,同时因为与母材具有非常小的摩擦系数,其产热量较低,不会显著增加焊接过程的热输入,可以确保实现对薄壁工件的动态拘束效果同时不影响焊接过程。本发明可有效解决薄壁构件搅拌摩擦焊过程存在装配困难、易变形失稳、焊后变形较大等问题。(The invention relates to a self-lubricating friction-following restraint micro friction stir welding method, which is characterized in that a low-friction-coefficient auxiliary shaft shoulder rotating along with a stirring head is added outside the stirring head of the friction stir welding of a thin-wall component, the shaft shoulder is made of a self-lubricating material with certain high-temperature resistance, and the self-lubricating material is used for locally restraining the welded material and rolling the welded material after welding to keep the workpiece smooth before and after welding. Meanwhile, the auxiliary shaft shoulder can be used for adjusting and controlling the pressure or displacement of the workpiece, the auxiliary shaft shoulder and the stirring head rotate together, the problem of overlarge advancing resistance of the static shaft shoulder can be solved by adopting a welding mode without an inclination angle, and meanwhile, because the auxiliary shaft shoulder and the base metal have very small friction coefficient, the heat production quantity is low, the heat input in the welding process cannot be obviously increased, and the dynamic constraint effect on the thin-wall workpiece can be ensured without influencing the welding process. The invention can effectively solve the problems of difficult assembly, easy deformation and instability, large deformation after welding and the like in the friction stir welding process of the thin-wall member.)

一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法，属于焊接领域。

背景技术

在航空航天、消费类电子等领域，对1mm附近及以下壁厚的铝合金、镁合金等轻质材料的焊接具有广泛需求。但是这类构件的焊接由于壁厚较薄，传统的电弧焊接技术具有较大的热输入，通常会导致材料失稳变形，难以胜任该类构件的焊接。激光等高能束焊接技术，由于铝合金对激光的高反射率、熔池的不稳定存在等问题，通常具有较高的成形缺陷发生率，同样限制了该连接技术的应用。

搅拌摩擦焊技术是一种固相连接技术，具有热输入低、焊接变形小、焊接质量高等优势，目前在航空航天、轨道车辆、汽车及电子领域获得了广泛应用。针对1mm及以下壁厚的材料连接，英国焊接研究所(TWI)提出了微搅拌摩擦焊的概念，其采用小尺寸搅拌头和高转速主轴，以实现对薄壁构件微小区域足够的热输入。目前，采用微搅拌技术可实现0.5mm及以上壁厚的铝合金对接接头的可靠连接。

但是在实际的工程应用中发现，薄壁构件微搅拌摩擦焊技术的核心难点，由原来的焊接问题变成了焊接装配问题。因为在微搅拌摩擦焊过程中，由于采用了较高的旋转速度及近无倾角的焊接方法，实际的焊接过程中搅拌头的旋转和前进作用对待焊材料产生了较高的作用力；与此同时，薄壁构件自身的拘束度较小，在该作用力作用下搅拌头前端待焊材料很容易产生翘曲变形，而局部翘曲变形的材料会高于搅拌头的轴肩，引起搅拌头划伤破坏工件，无法实现连接。

与此同时，虽然搅拌摩擦焊具有热输低、焊接变形小的特点，但在薄壁构件焊接过程中，随着板材壁厚的降低，焊接过程的局部加热和冷却，依然会引起显著的焊接变形，特别是在焊接工装释放后，往往会产生明显的变形量甚至产生失稳变形。针对这种薄板焊接过程的固有特性，焊接工作者提出随焊碾压的方法来降低焊缝应力的方法，具有一定的效果。

为了提高焊接过程板材装配一致性、降低焊后焊缝残余应力，专利ZL200910071859.0提出在搅拌头周围装配一圈滚动钢珠的方法，来实现对焊后焊缝的碾压作用，以解决搅拌摩擦焊焊缝的残余应力、焊接变形和飞边的问题。但是，该方法难以适应微搅拌摩擦焊过程。一方面，微搅拌摩擦焊过程通常采用较高的旋转速度，在该转速条件下，钢珠将承受较大的离心力，难以固定和稳定工作；另一方面，在高速条件下，附加的压紧钢珠很难实现动平衡，由此导致的高速不稳定将给焊接过程造成不利影响并带来安全性问题；此外，钢珠对工件的压紧是一种局部和间断性的作用，难以保证工件在与搅拌头接触的瞬间依然保持平整。此外，钢珠具有较高硬度，对于工件表面是一种刚性接触，容易对工件和焊缝表面造成损伤。

发明内容

为解决上述工程实际问题及现有方法存在的不足，本发明提出了采用自润滑随焊摩擦拘束的微搅拌摩擦焊方法，可实现对焊前工件的平整性保持及在一定程度上降低焊缝残余应力，解决了薄壁构件搅拌摩擦焊过程焊接工件装配困难、焊接过程变形导致焊接失效等问题，有效实现薄壁构件高可靠高效焊接。

本发明主要包括在传统的搅拌摩擦焊方法的基础上，采用自润滑随焊摩擦拘束的方法进行了无倾角高转速搅拌摩擦焊焊接，其采用了相对铝合金具有极低摩擦系数的自润滑材料作为辅助轴肩，该辅助轴肩紧密套在搅拌头上，与搅拌头一起旋转和前进。搅拌头与辅助轴肩随动前进，对进入搅拌头区域的材料进行拘束，并对搅拌头后部材料进行表面碾压。

进一步，所述辅助轴肩对工件的拘束是一种动态拘束，是在摩擦状态条件下的拘束，所述辅助轴肩采用相对于铝合金具有非常低摩擦系数且能耐一定高温的自润滑材料。

优选的，辅助轴肩采用耐热塑料及其复合材料，耐热温度≥300℃。

进一步，焊接过程采用了近无倾角的焊接方式，焊接转速6000-10000rpm，辅助轴肩和搅拌头均采用由外向内逐渐凸出的形状设计，辅助轴肩的轴肩端面与母材为光滑接触，辅助轴肩外直径20-50mm；搅拌头的轴肩端面采用了适用于无倾角焊接的螺旋线花纹，花纹深度0.2-0.4mm。

进一步，焊接过程采用了近无倾角的焊接方式，焊接转速6000-10000rpm，辅助轴肩和搅所述辅助轴肩上部设有压力调控机构，由固定在搅拌头上的弹簧构成，弹簧提供的压力为2-20kg。

进一步，所述辅助轴肩材料也可镶嵌在搅拌头上，作为搅拌头的一部分而存在，并可根据焊接过程磨损情况进行更换。

进一步，所述搅拌头与辅助轴肩的连接界面采用无缝配合，通过对称限位筋槽配合方式进行扭矩专递，搅拌头为主动旋转和前进，辅助轴肩为随动旋转和前进。

与此同时，辅助搅拌轴肩采用了由外向内凸起到平滑接触的形状设计，搅拌头轴肩采用了具有内凹螺旋线的形状设计，外沿也采用了由外向内凸起的形状。在辅助轴肩上部，可设置压力补偿控制装置，可确保辅助轴肩对工件表面压力的可调控制，同时也可实现对因摩擦而损耗的材料进行补偿，适应长距离焊接辅助轴肩磨损较大的情况。此外，本发明还包括另一种相对简单的情况，即在传统搅拌头轴肩外侧镶嵌自润滑材料的方法，该方法利用自润滑材料自身的弹性和可伸缩性提供持续的压力拘束，其焊接过程适用于较短距离的焊接。

本发明具有以下优点：一、本发明的焊接方法，由于辅助轴肩的持续旋转，是一种动态旋转下的前进，相对于静止轴肩，可以大大降低焊接前进抗力，实现对待进入焊接区域的材料进行持续动态拘束，可以避免焊接时搅拌头前端材料凸起变形，导致材料无法进入搅拌头工作区域而引起焊接失效；二、由于辅助轴肩对铝合金材料具有极低的摩擦系数，其与母材表面的摩擦产热较低，并不会显著增加焊接过程的热输入及焊接主轴的扭矩消耗；三、该方法还可以实现对焊接后的焊缝表面进行持续压紧校形，这种对焊后尚处于热态的材料进行随焊实时校形，可以降低焊后变形量；四、本方法采用了无倾角焊接手段，可以实现二维曲线焊缝的高速焊接。

附图说明

图1是本发明实施例的一种自润滑随焊摩擦拘束微搅拌摩擦焊方法示意图；

图2是本发明实施例的另一种

具体实施方式

示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括传统的微搅拌摩擦焊搅拌头1，焊接厚度0.5mm，搅拌针长度0.45mm，搅拌头轴肩直径3.6mm，辅助轴肩3外径20mm，辅助轴肩3与搅拌头1的连接面6采用对称的2个限位筋槽进行扭矩传递；弹簧2圈数4，外径18mm，正常焊接压缩状态下提供压紧力3kg。在搅拌头1上部，通过快速夹头与焊接机床连接。焊接转速10000rpm，焊接速度1.5m/min，下压量0.03mm。辅助轴肩3采用PEEK复合材料制备，与母材接触端面4外沿采用R2的倒角形成由外向内凸起的形状，接触端面4与母材光滑接触，接触端面4的表面粗糙度不大于Ra6.4。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式包括传统的微搅拌摩擦焊搅拌头1，焊接厚度1mm，在搅拌头1的轴肩外侧，附加一个环状空腔，该空腔镶嵌自润滑材料作为辅助轴肩3，辅助轴肩3与搅拌头1的连接端面6采用紧配合和2个对称限位筋槽紧配合进行连接和扭矩传递，搅拌头轴肩直径6mm，搅拌针直径2.5mm，搅拌针长0.9mm，辅助轴肩外径30mm，焊接转速8000rpm，焊接下压量0.06mm，焊接速度1m/min。本实施方式的辅助轴肩压紧力由搅拌头下压量控制，利用自润滑材料的弹性施加压紧力。本实施例同样采用近无倾角的焊接方式实施焊接。